钢管混凝土拱桥管节点应力及应力集中有限元分析

硕士学位论文II摘要钢管混凝土结构具有承载力高、塑性和韧性好、制作和施工方便、耐火性能好、经济性好等优点，近年来在桥梁建设中，特别是在以受压为主的拱桥中获得了广泛的应用。在这些拱桥结构的节点中，荷载由支管直接传给主管，由于支管的轴向刚度远远大于主管的径向刚度，主支管的相贯线成为整个结构的薄弱环节。合理的节点构造及其设计方法引起了世界各国研究者的关注。本文所做工作为西部交通建设科技项目“钢管混凝土拱桥设计、施工与养护关键技术研究”的部分内容，主要研究内容如下：（1）简要介绍了钢管混凝土的结构特点及钢管混凝土在拱桥中的发展情况，提出了钢管混凝土拱桥的设计需注意的问题，并介绍了圣维南原理及其在钢管混凝土中的应用；（2）根据已建四管桁式钢管混凝土拱桥—湖南益阳茅草街大桥，选取工程中三类典型节点—DTY型、XYT型、DTDY型管节点为研究为对象，基于ANSYS，建立了钢管混凝土拱桥的节点实体模型，分析和比较了它们的静力性能，讨论了其应力变化情况；（3）对DTY型、XYT型、DTDY型主管内填混凝土节点和空钢管节点分析计算了不同节点在轴力作用及在轴力加弯矩作用下随支管管径变化与主支管变化的应力集中系数的变化，研究发现空钢管状态下节点应力集中要比主管内填混凝土情况下的节点应力集中明显得多；支管仅受轴力作用下比受轴力与弯矩共同作用应力集中要明显很多。关键词：钢管混凝土拱桥；圣维南原理；管节点；应力分析；应力集中硕士学位论文IIIABSTRACTRecently,theconcrete-filledsteeltubularstructureisadoptedwidelyinbridgeengineering,whichishighofload-carrycapacity,goodatplasticityandmalleability,easytoexecuteandconstruct,excellentinfireresistanceandeconomy.Forthisreason,thiskindofcombinedmaterialisappliedtoarchedbridgethatismainlyoppressed.Inthejointsonthistypeofarchedbridges,theforcesaretobespreadtothebracethroughthechorddirectly.Becausetheaxialrigidityofthebraceismuchbiggerthantheradialrigidityofthechord,theborderbecomestheweakestpartofthewholestructure.Thereasonabledesignofthistypeofjointhasattachedtheresearchers’attentionallovertheworld.Asthepartof“Thekeytechniquesofthedesign,constructionandmaintenanceofconcrete-filledsteeltubulararchbridges”supportedbytheScienceandTechnologyItemofConstructionoftheWestwardTraffic,Themaincontentsaredetailedasfollowing:(1)Thefeatureandthedevelopmentsituationinarchbridgeofthesteelpipeconcretearebrieflyintroduced.theitempayattentiontodesigningtheconcrete-filledsteeltubulararchbridgehasputforward,andtherearetheintroductionoftheSaintVenant'sprincipleandtheapplicationintheconcrete-filledsteeltubularstructure.(2)Accordingtoafour-tubesoftrussconcrete-filledsteeltubulararchbridge-Themaocaostreetbridge,inYiyang,Hunanprovince,China,threetypicalnodesinthisproject,thatis,DTY,XYTandDTDYtubularjoints,arechosenastheobjectstostudy.WiththehelpofANSYS,theentitymodelsoftheconcrete-filledsteeltubulararesetuptoanalyze,andthenstaticcharacteristicsarecarefullycompared.Finally,theregularsoftheirstressvariationareparticularlyinvestigated.(3)theanalysisandcalculationonvariationofstressconcentratefactorforbothconcrete-filledsteeltubularandhollowsteeltubularDTYjoints,XYTjoints,DTDYjointsundertheaxialstrengthoraxialandbendingloadingstogetherfunctioninbracealongwiththevariationofdiameterofbracesandtheincludedangleofbracesandchordsthehavecarriedout.Theresultsshowthattheconcrete-filledsteelnodesaremoreobviousthantheemptysteeltubenodesonstressconcentratephenomenonandaswellasnodesunderthefunctionofaxialstrengththanaxialandbendingloadingstogetherfunctioninbrace.钢管混凝土拱桥管节点应力及应力集中有限元分析IVKEYWORDS:concrete-filledsteeltubulararchbridge;SaintVenant'sprinciple;tubularjoints;Staticanalysis;stressconcentrationI湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密□，在______年解密后适用本授权书。2、不保密□。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日√硕士学位论文1第1章绪论1.1钢管混凝土拱桥概况1.1.1研究背景及意义拱桥是一种以受压为主的结构，可以利用抗压强度高、抗拉强度低的圬工材料修建，当地基条件较好，足以抵抗支座处的水平分力时，这种结构具有很大的经济性。拱桥的适用跨径范围较大，从几十米到三四百米、甚至更大（于1997年建成通车的混凝土拱桥万县长江大桥主跨为420m；2004年建成通车的钢管混凝土拱桥巫山长江大桥主跨达460m；钢桁架或钢箱拱桥中，朝天门大桥和卢浦大桥已达到550多米）[1]。此外，在山区深沟峡谷、库区等地形条件下，大跨拱桥能避免高墩或高塔的建造，单跨拱桥不需要像连续梁、斜拉桥那样用边跨来平衡主跨，因此具有很强的竞争力。长期以来，圬工和钢筋混凝土拱桥在我国得到广泛的应用。然而，圬工钢筋混凝土拱桥的自重较大，无支架施工困难等缺陷限制了其跨径进一步增大，随着经济的发展、劳动力价格的提高和建筑材料供应的充分和价格的相对下降，拱桥的经济性和技术先进性日益受到其他桥型的挑战。上个世纪八十年代末，我国在西南地区开始了将钢管混凝土结构应用于拱桥的实践。1990年第一座钢管混凝土拱桥—四川旺仓东河大桥建成[2]。此后，这种桥型在我国的公路建设中得到大量的应用和发展，据不完全统计，已建成和在建的钢管混凝土拱桥已达200余座[3]。目前，已建成的钢管混凝土拱桥的跨径达到460m（重庆巫山长江大桥）[3]。因此，研究钢管混凝土拱桥的受力特点，具有重要的实际和理论意义。1.1.2钢管混凝土结构的特点钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件，是使其二者有机结合的一种组合结构，其本质上属于箍套混凝土。钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土及螺旋配筋混凝土的基础上演变和发展起来的，按截面形式的不同，可分为方钢管、圆钢管和多边形钢管混凝土。在实际工程中，应用最广泛的是圆钢管混凝土，且管内只浇灌素混凝土，不再配置钢筋或钢骨。钢管混凝土的基本原理是：（1）借助内填混凝土来增强钢管壁的稳定性；（2）借助钢管对核心混凝土的套箍（约束）作用，使核心混凝土工作时处于三向受压状态，从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和抗压缩变形能力。所以，钢管混凝土在本质上也就是由钢管对混凝土实行套箍强化的一种套箍混凝土。由于利用了钢管和混凝土两种材料在受力过程中相互间的组合作用，即钢管的约束作用提钢管混凝土拱桥管节点应力及应力集中有限元分析2高了内填混凝土的抗压强度和弹性模量，混凝土的支撑提高了钢管的稳定性[4]，充分发挥两种材料的优点，改善了组成材料的力学性能。因而，钢管混凝土具有一系列优越的力学性能。钢管混凝土具有以下几个特点：（1）承载力高对于薄壁钢管来说，由于对局部缺陷很敏感，其承载力是极不稳定的。在钢管中灌混凝土形成钢管混凝土构件后，钢管约束了混凝土，延缓了混凝土受压时的纵向开裂，而混凝土也大大延缓了薄壁钢管的局部稳定，两种材料相互弥补了彼此的弱点，充分发挥了各自的长处，从而使钢管混凝土具有很高的承载能力，其承载力大大高于二者单独承载力之和。（2）塑性和韧性好单向受力时混凝土的破坏特征属于脆性破坏，对于高强度混凝土（50MPacuf，cuf为混凝土立方试块强度）尤其如此，但钢管混凝土中的核心混凝土在钢管的约束下，不仅在使用阶段改善了它的弹性性能，而且在破坏时也能产生很大的塑性变形，从而使钢管混凝土具有优良的抗震性能。在冲击荷载或振动荷载作用下，这种结构也能表现出很好的韧性，因而抗震性能好。（3）制作和施工方便与钢筋混凝土相比，钢管混凝土没有绑扎钢筋、支模和拆模等工序，施工简便。此外混凝土的浇灌更为方便，特别是目前采用泵送混凝土、高位抛落免振混凝土和自密实混凝土等工艺，更可加速钢管混凝土的施工进度。与预制钢筋混凝土构件相比，钢管混凝土不需要构件预制场地。与钢结构构件相比，钢管混凝土的构件通常更为简单，因而焊缝少，更易于制作。特别是在钢管混凝土中可更为广泛地采用薄壁钢管，因而进行钢管现场拼接对焊更为简易快捷，此外，由于空钢管构件的自重小，可以减少运输和吊装等费用。钢管混凝土在施工制造方面发展的一个重要方向是其钢管制造的标准化。钢管混凝土本身的施工特点符合现代施工技术工业化的要求，可以节约人工费用，降低工程造价，加快建设速度。（4）耐火性能好钢管内填有混凝土，在高温情况下，由于核心混凝土可吸收钢管传来的热量，从而使其外包钢