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鋼管混凝土拱橋穩(wěn)定性的計(jì)算理論簡(jiǎn)述
摘要:
本文針對(duì)鋼管混凝土拱橋的穩(wěn)定性問題,從理論計(jì)算的角度對(duì)其進(jìn)行了探討。首先簡(jiǎn)述了鋼管混凝土拱橋的構(gòu)造特點(diǎn)和受力情況,然后介紹了鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)計(jì)算方法。接著闡述了鋼管混凝土圓形拱橋的靜力分析方法,并針對(duì)橋墩的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。最后對(duì)鋼管混凝土拱橋的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估,并提出了相應(yīng)的加固措施。
關(guān)鍵字:
鋼管混凝土拱橋,穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)原則,設(shè)計(jì)計(jì)算方法,數(shù)值分析,加固措施。
1.引言
鋼管混凝土拱橋是一種新型的橋梁結(jié)構(gòu),具有承載力大、剛度好、耐久性強(qiáng)、施工方便等優(yōu)點(diǎn),特別是在跨度較大的工程中表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)越性。然而在鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)和施工中,其穩(wěn)定性問題一直是困擾工程師們的難題。本文旨在探討鋼管混凝土拱橋的穩(wěn)定性問題和相應(yīng)的解決方法,為相關(guān)工程實(shí)踐提供參考。
2.鋼管混凝土拱橋的構(gòu)造特點(diǎn)和受力情況
鋼管混凝土拱橋是一種以鋼管為骨架、混凝土為填充物的橋梁結(jié)構(gòu)。其構(gòu)造特點(diǎn)主要包括以下幾方面:
(1)柱與拱采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu),兩者通過錨固套筒連接起來,形成整體結(jié)構(gòu);
(2)拱段分布順應(yīng)曲線,通過節(jié)點(diǎn)連接完成整個(gè)結(jié)構(gòu);
(3)橫向變位通過懸臂梁與拱頂連接傳遞;
(4)橋面鋪裝采用鋼筋混凝土鋪裝層覆蓋瀝青路面。
鋼管混凝土拱橋所受的荷載作用主要分為水平荷載和垂直荷載兩種。水平荷載包括風(fēng)荷載和地震荷載,作用于橋梁的平面上。垂直荷載包括自重和交通荷載,作用于橋梁的豎直方向上。在橋梁的使用過程中,還可能出現(xiàn)冰雪荷載、水流荷載等非常規(guī)荷載。
3.鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)計(jì)算方法
(1)設(shè)計(jì)原則
鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)應(yīng)符合以下原則:
①橋面寬度應(yīng)符合交通規(guī)定,并滿足行車安全和通行舒適性要求;
②拱形應(yīng)滿足靜力平衡和剛度要求;
③橋墩應(yīng)滿足穩(wěn)定性和承載能力要求;
④施工應(yīng)符合安全、經(jīng)濟(jì)、高效的要求。
(2)設(shè)計(jì)計(jì)算方法
鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)計(jì)算方法應(yīng)分為靜力分析和動(dòng)力分析兩部分。其中,靜力分析是基礎(chǔ)性的方法,它以荷載分析為基礎(chǔ),采用彎矩法、力矩法等靜力學(xué)方法進(jìn)行分析計(jì)算;動(dòng)力分析是在靜力分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,包括自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)和響應(yīng)譜分析等方法。
由于鋼管混凝土拱橋的其特殊的構(gòu)造和受力情況,鋼管混凝土拱橋的靜力分析一般采用彎矩法。其中,鋼管混凝土圓形拱橋的靜力分析方法有兩種:一種是分布荷載作用下的彎矩法,另一種是集中荷載作用下的彎矩法。在進(jìn)行靜力分析計(jì)算時(shí),先確定拱的內(nèi)力分布和大小,再根據(jù)內(nèi)力大小確定鋼管混凝土拱橋的截面尺寸和材料強(qiáng)度等品質(zhì)。
4.鋼管混凝土圓形拱橋的靜力分析方法
(1)分布荷載作用下的彎矩法
當(dāng)鋼管混凝土圓形拱橋受到分布荷載作用時(shí),彎矩的分布與荷載的分布有關(guān)。假設(shè)荷載的分布為q(x),在跨度上的彎矩分布為M(x),則有:
M(x)=-\int_{0}^{x}q(x')\cdot(x-x')dx'
其中,負(fù)號(hào)表示彎矩方向與荷載作用方向相反。荷載作用下的鋼管混凝土圓形拱橋的內(nèi)力分布如圖1所示。
(2)集中荷載作用下的彎矩法
當(dāng)鋼管混凝土圓形拱橋受到集中荷載作用時(shí),在跨度上產(chǎn)生一個(gè)彎矩,其大小與荷載大小和位置有關(guān)。假設(shè)荷載在圓心處,根據(jù)彎矩方程可得:
M=-P\cdot\frac{l}{2}
其中,P為荷載大小,l為拱的跨度。荷載作用下的鋼管混凝土圓形拱橋的內(nèi)力分布如圖2所示。
(3)橋墩的穩(wěn)定性分析
在鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)和施工中,橋墩的穩(wěn)定性問題一直備受關(guān)注。橋墩的穩(wěn)定性主要受到以下因素的影響:土層的質(zhì)量和厚度、橋墩的形狀和尺寸、橋墩與土地的接觸情況,以及地震荷載等。
為了評(píng)估橋墩的穩(wěn)定性,可以采用數(shù)值模擬計(jì)算的方法。模型建立過程包括選擇合適的有限元模型,對(duì)橋墩及其周圍的土層進(jìn)行三維建模,然后用相應(yīng)的有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,得出相應(yīng)的位移、應(yīng)力和變形等結(jié)果。模型計(jì)算策略包括建立初始模型、設(shè)定邊界條件、確定荷載、進(jìn)行計(jì)算分析等過程。在得出計(jì)算結(jié)果后,結(jié)合橋墩的實(shí)際情況進(jìn)行評(píng)估,并提出相應(yīng)的加固措施。
5.結(jié)論
鋼管混凝土拱橋是一種新型的橋梁結(jié)構(gòu),具有多種優(yōu)點(diǎn),但其穩(wěn)定性問題在設(shè)計(jì)和施工中始終備受關(guān)注。本文分析了鋼管混凝土拱橋的構(gòu)造特點(diǎn)和受力情況,介紹了鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)計(jì)算方法,闡述了鋼管混凝土圓形拱橋的靜力分析方法,并對(duì)橋墩的穩(wěn)定
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