700m级拱桥结构体系探索性研究

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钢管混凝土拱桥因造型优美、抗压承载能力强、施工成本低、施工工艺多样、易维护等优点被广泛的应用到工程实践中,合江长江一桥的成功修建,解决了超大跨径钢管混凝土拱桥设计与施工关键问题,随着设计理论和施工技术的不断完善和创新,修建700m级的钢管混凝土拱桥将成为可能。根据相关研究,700m级的拱桥即可实现1000m级悬索桥的跨越能力,同时,在山区峡谷修建拱桥可避免斜拉桥超高墩塔,此外,相对于该跨径级别的斜拉桥和悬索桥而言,钢管混凝土拱桥具有很好的经济性和安全性。为此,有必要开展700m级拱桥研究,早日应用到工程实践中。
  本文概述了国内外大跨径钢管混凝土拱桥的发展和研究进展,对700m级拱桥应用前景进行了分析。分析了大跨径钢管混凝土拱桥拱轴系数和矢跨比的合理选取以及主拱的构造设计,针对700m级钢管混凝拱桥跨径大,恒载重等特点,提出计算跨径为700m的六肢桁式截面中承式钢管混凝土拱桥试设计结构方案,并就其静力性能、稳定性、动力和抗震性能以及扣挂安全性进行了分析。具体研究内容如下:
  1、首先对拟定的700m钢管混凝土拱桥的静力性能进行分析,按照现行规范对主拱各类构件验算,表明其承载力和结构刚度均满足规范要求。
  2、在有限元软件MSC.MARC中采用Python脚本编程语言编写了本文拟定700m钢管混凝土拱桥的参数化模型,并就拱轴系数、矢跨比、拱肋截面形式和尺寸、拱肋倾角、吊杆布置等参数取值对主拱受力影响进行分析,获取参数的合理取值范围。得到最优模型参数:拱轴系数m=1.4、矢跨比1/4、拱截面高12m、主管管径φ1200×24mm、拱肋倾角为6°并加强拱肋跨中段的横向联系。
  3、基于上述拱的参数分析,按最优模型参数对该跨径钢管混凝土拱桥进行弹性曲屈分析,在此基础上分别计算计入几何非线性效应、材料非线性效应和双重非线性效应的拱的稳定安全系数,以及拱在加载过程中的塑性发展趋势。结果表明其稳定性满足规范要求;材料非线性因素对拱的稳定性影响显著;拱的极限失稳模态为整体侧向失稳。
  4、对该钢管混凝土拱桥的动力特性进行了分析,采用动力时程法对其抗震性能进行了分析,最后对该钢管混凝土拱桥的拱肋节段划分、吊装能力及施工扣挂安全进行了分析。
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