哑铃形钢管混凝土拱桥爆管成因分析与构造改进研究

论文摘要

钢管混凝土拱桥是我国近年来桥梁建筑发展的新技术,是大跨度拱桥的一种比较理想的结构形式。哑铃形钢管混凝土拱桥在钢管拱肋混凝土灌注过程中当施工不妥时发生钢管的开裂事故。针对钢管混凝土哑铃形拱肋灌注混凝土时发生爆管事故的问题,本论文就爆管成因进行了力学分析,并就细部构造改进方案进行了研究。论文首先建立了平面有限元模型,对灌注管内混凝土时钢管拱肋时的截面应力进行了分析。分析时考虑了各种灌注顺序和工况。计算结果表明:哑铃形截面在灌注混凝土时,钢管与腹板交接处将产生比较大的应力,是产生爆管事故的主要原因。哑铃形截面灌注混凝土时的受力情况与灌注顺序有关。灌注的顺序以先腹腔后两管的顺序最为不利,先两管后腹腔的受力较为有利。通过平面有限元模型计算分析结果,在灌注腹腔混凝土时,腹板和钢管交接处应力值很大,腹板受混凝土的压力的作用会外鼓,严重时会在钢管和腹板连接处的焊缝会被拉裂而引发爆管事故。此时的腹板的受力状态已经不属于线弹性的范围,按照线弹性的假设计算出来的结果会与实际情况不是很符合,所以我们再应用空间有限元程序分析钢腹板的应力、变形与箱内泵送混凝土的压强之间的关系,分析按照钢材的弹性、理想弹塑性和硬化弹塑性3种情况进行,使得分析的结果更接近结构的实际受力状况。计算结果表明,在灌注拱肋混凝土的顺序中,先灌注两管最后灌注腹腔混凝土是哑铃形拱肋灌注拱肋混凝土最好的方案;而先灌注腹腔混凝土后再灌注两管混凝土,截面的受力最为不利,施工中应尽可能避免采用。关于细部构造改进方案,论文分别就增设腹板拉杆、增设加劲肋板和分仓灌注等,应用空间有限元程序并考虑钢材的弹塑性性能进行了研究。本论文的研究成果对同类型拱桥的设计与施工具有借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 钢管混凝土结构的应用与发展
• 1.2 钢管混凝土拱桥的类型
• 1.3 哑铃形钢管混凝土拱桥介绍
• 1.4 哑铃形钢管混凝土拱桥存在的一些问题
• 1.5 本文研究内容
• 第2章 工程背景及研究思路
• 2.1 工程背景
• 2.2 灌注混凝土时泵压分析
• 2.3 本文研究思路及方法
• 第3章 哑铃形钢管混凝土拱桥在灌注混凝土时的截面应力分析
• 3.1 施工工况分析
• 3.2 结构计算模型
• 3.3 结构计算结果与分析:
• 3.4 爆管成因分析
• 第4章 哑铃形钢管混凝土拱桥在灌注混凝土时的行为分析
• 4.1 概述
• 4.2 弹塑性分析的钢格本构关系
• 4.3 弹塑性分析的有限元法基本原理
• 4.3.1 弹塑性问题的增量方程
• 4.3.2 增量有限元格式
• 4.4 空间有限元模型
• 4.4.1 模型建立的基本假定:
• 4.4.2 模型的建立:
• 4.5 结构计算结果与分析:
• 4.6 不同拱肋截面结构计算结果比较
• 4.6.1 拱肋截面尺寸及计算数据:
• 4.6.2 不同算例计算结果对比:
• 4.7 混凝土刚度的影响
• 4.8 钢管均布受压和局部受压对比分析
• 4.9 小结
• 第5章 哑铃形钢管混凝土拱桥拱肋截面构造改进措施分析
• 5.1 构造改进方案综述
• 5.1.1 加设拉杆
• 5.1.2 加设加劲肋板
• 5.2 腹板加设拉杆措施分析
• 5.2.1 空间有限元模型
• 5.2.2 计算结果分析
• 5.2.3 与不设拉杆情况的比较
• 5.2.4 不同拉杆间距情况的比较
• 5.2.5 不同拉杆钢筋直径的比较
• 5.3 上下圆管加设拉杆措施分析
• 5.3.1 空间有限元模型
• 5.3.2 计算结果分析
• 5.3.3 与不设拉杆情况的比较
• 5.3.4 不同拉杆间距情况的比较
• 5.3.5 不同拉杆钢筋直径的比较
• 5.4 设加劲肋加固措施研究
• 5.4.1 空间有限元模型
• 5.4.2 计算结果分析
• 5.4.3 与不设加劲肋板情况的比较
• 5.4.4 不同加劲肋板纵向间距情况的比较
• 5.5 截面改进措施比较
• 5.6 哑铃形钢管混凝土拱桥施工时采取的相应措施
• 5.7 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文