摘 要

伴随着我国基础设施项目的实施推进，桥梁设计及施工技术的日趋成熟，中国大跨度桥梁施工建设愈加频繁。其中拱桥因为其外形的优美壮观，承载能力优秀等特点在大跨径桥梁的应用中日益广泛。由于我国钢产量的不断增加，钢材成本的降低促使钢桥在大跨度拱桥中得以大量运用，同时钢桥也因其出色承载能力和快速施工等优点备受青睐。

近年来大跨度钢桁架拱桥在我国建设之中也成效显著：2001年建成的卢浦大桥，主跨长550m,钢梁部分长750m，是采用全焊接形式的中承式系杆钢箱肋拱桥；2004年的朝天门大桥，主跨部分为336 336m,钢梁长1276m,采用钢桁梁和钢桁拱组合结构的公轨两用桥；泗阳成子河公路建成于2013年，主跨为152m的三跨连续钢桁架拱桥，且采取钢混组合整体式桥面体系。本文拟以某120 228 120m三跨连续钢桁柔性拱桥项目为工程背景，进行大跨度连续钢桁梁柔性拱桥受力特性相关方面研究。主要利用有限元分析软件进行成桥状态下钢桁架拱桥在各种荷载组合下的静力分析，计算桥梁挠曲变形情况以及单元最大应力位置和大小情况。此外通过计算说明桥梁的动力特性，旨在为以后大跨度钢桁架拱桥设计与施工提供参考资料。

最后得出拱桥的最不利荷载组合情况以及拱桥柔性拱的结构状态。

关键词：大跨度钢桁架拱桥；静力分析；动力特性

ABSTRACT

With the continuous development of China's infrastructure construction, bridge design and construction technology are becoming more and more mature, and construction of large span Bridges is becoming more and more frequent in China. The arch bridge is more and more widely used in the wide span bridge because of its beautiful appearance and excellent bearing capacity. Due to the country's increasing steel output, steel cost reduce led to using of abundant in the arch bridge of large span steel bridge, also because of its excellent steel bridge bearing capacity and the advantages of rapid construction of popular.

In recent years, large span steel truss arch bridge construction in our country also shine: lupu bridge was built in 2001, mainspan 550 m long and steel part of the 750 m long and is used in the form of all welded half through bridge tie bar steel box ribs arch bridge; In 2004, the main span was 336 336m and the steel girder was 1276m. In 2013, siyang chengzi-river highway bridge was built, and the main span was 152m three-span continuous steel truss arch bridge, and the steel-concrete composite integrated deck system was used.this paper intends to carry out the research on the performance of the flexible arch bridge of a large span continuous steel truss beam with a 120 228 120m three-span continuous steel girder flexible arch bridge project. The static analysis of steel truss arch bridge under various loads is mainly carried out to calculate the deflection deformation of the bridge and the maximum stress position and size of the unit. In addition, the dynamic characteristics of the bridge are calculated to provide references for the design and construction of large span steel truss arch bridges.

Finally, the most unfavorable load combination and the structural state of the flexible arch of the arch bridge are obtained

KEY WORDS : Large span steel truss arch bridge; Static analysis; The dynamic characteristics

目录

第一章 绪论 1

1.1选题目的及意义 1

1.2国内外钢桁架拱桥发展与应用情况 1

1.2.1国外钢桁架拱桥的发展与应用 1

1.2.2国内钢桁架拱桥的发展与应用 4

1.3钢桁架拱桥的结构特点 7

1.4主要研究内容 8

第二章 大跨度钢桁架拱桥有限元分析模型的建立及静力分析 9

2.1有限元分析模型的建立 9

2.1.1依托工程总体概述 9

2.1.2 有限元模型的建立 10

2.2有限元模型的计算 15

2.2.1 主要荷载工况 16

2.2.2恒载作用静力特性分析 16

2.2.3移动荷载作用静力特性分析 21

2.2.4风荷载作用静力特性分析 25

2.2.5温度荷载作用静力特性分析 29

2.2.6 最不利荷载组合作用静力特性分析 33

2.3小结 37

第三章 大跨度钢桁架拱桥有限元分析模型的动力特性分析 39

3.1常用的振型计算方法 39

3.2拱桥有限元模型的动力性能分析 41

3.3 小结 47

第四章 总结与展望 50

4.1 总结 50

4.2展望 50

参考文献 52

附录 53

致谢 92

绪论

1.1选题目的及意义

我国拱桥的起源可以追溯到1400多年前，我国古代最具代表性的、闻名世界的桥梁——赵州桥，建于公元606年；近代以来，中国又连续建造了巫峡长江大桥（460m跨度的钢管混凝土拱桥）和卢浦大桥（550m 跨度的钢拱桥）。这些成功的案例，为我国大跨度拱桥的施工建设保障了成熟的案例借鉴及技术经验。不论是理论方面对于静力、动力特性的研究，还是在设计和施工方面，在大跨度拱桥钢管混凝土或钢箱截面建造我国技术都已经成熟和完善。然而涉及到大跨度钢桁架拱桥的研究文献确很少，对钢桁架拱桥在理论和建设方面，中国的认识不够成熟。本文主要讨论大跨度钢桁架拱桥结构的受力特征，对今后钢桁架拱桥的设计和施工提供对照。

1.2国内外钢桁架拱桥发展与应用情况

1.2.1国外钢桁架拱桥的发展与应用

国外的钢桁架拱桥的应用历史较早，可追溯到18世纪工业革命时期。由于工业化生产的兴起，钢铁产量得到极大提高，同一时期也出现了许多铁拱桥。

18世纪的英格兰西米德兰兹郡,世界上第一座铸铁拱桥拔地而起，拱桥跨度30m; 1877，来源于葡萄牙Pia Maria桥，是跨径160.13m镰刀形内倾双铰双助桁拱。1867到1874年，分孔为153m 158m 153m三跨。其后，钢桁架拱桥设计施工技术进一步发展；1917年美国修建的跨径为297m的狱门(Hell Gate)桥,奠定了钢拱桥的技术基础,被业界视为钢拱桥建设的一个里程碑^[1-3]。1974-1978年美国建造了上承式连续钢桁梁拱桥——新河谷桥(New River Gorge Bridge),主跨为518.2m,长924m,构造轻巧,外观优雅，具备优异的抗风性能。1931年在美国纽约建成的公路钢桁架拱桥——贝永桥（跨度504m）;1932年建筑的澳大利亚悉尼港大桥（503m）,乃中承式钢桁架拱桥。此后,大跨度钢桁架拱桥跨度再未出现新纪录，以下简单介绍几座钢拱桥以及国外主要钢桁架拱桥的统计表。

表1-1 国外钢桁架拱桥统计表^[1-4]

1. 新河谷桥

新河谷桥1977年建于美国弗吉尼亚州的新河谷，是一座钢桁架拱桥，拱桥跨径510m,桥面宽度为22m，形状特点是高达268m的箱形截面立柱，桁架结构显得纤细美丽，桥面布局则选用了特征鲜明的欧式风格，是不可多得的优秀的桥梁建设工程。

图1.1 新河谷桥

1. 悉尼港大桥

悉 尼 港 湾 大 桥 是 在 澳 大 利 亚 的 悉 尼 港 湾 的 公 铁 两 用 桁 架 桥 ， 1923 年 开 建 ，19 3 2 年 竣 工 。 大 桥 的 拱 肋 选 择 了 双 铰 桁 拱 的 形 态 ，两 铰 点 的 位 置 设 置 在 拱 肋 下 弦 的 两 头 端 部 。 全 桥 长 5 0 2 . 9 m , 矢 高 为 1 0 7 m 。 桥 面 位 于 海 拔 1 3 4 米 处 ， 桥 孔 可 以 通 行 万 吨 级 船 舶 ，拱 肋 中 心 宽 度 为 48.8 m 。 拱 肋 采 取 变 高 度 情 形 ，拱 顶 高 度 为 18 m， 拱 脚 高 度 为 5 7m。 桥 的 拱 肋 采 用 弧 形 钢 桁 架 和 许 多 根 钢 吊 索 组 合 。 施 工 时 ， 采 取 悬 臂 拼 装 法 先 拼 装 拱 肋 , 用 12 9 根 直 径 7 0 m m 、 长 约 3 6 6 米 的 钢 缆 作 为 拱 架 端 部 拉 撑 并 在 天 然 基 岩 上 临 时 锚 固 。拱 脚 下 的 支 座 采 取 硅 钢 支 座 ，每 一 个 硅 钢 支 座 承 受 的 推 力 达 19700 吨。

由 于 拱 脚 处 附 近 的 下 弦 杆 件 应 力 较 大，拱 的 全 部 推 力 几 乎 全 部 施 加 于 下 弦 ，因 此 杆 件 所 需 的 截 面 面 积 远 远 大 于 其 他 的 下 弦 杆。考 虑 到 拼 接，所 有 下 弦 杆 都 采 取 相 同 的 截 面 宽 度，同 时 还 考 虑 到 减 少 风 荷 载 作 用 于 下 弦 的 内 力 ， 并 保 证 弦 杆 的 侧 向 刚 度，故 下 弦 杆 采 取 了 四 块 腹 板 组 成 的 箱 形 截 面 。除 了 跨 越 桥 梁 的 拱 桥 桥 段 外 ，桥 梁 的 两 端 还 建 造 了 五 孔 钢 梁 桥 。 桥 的 外 观 类 似 悬 挂 在 港 口 上 的 衣 架 ， 所 以 人 们 称 之 为 “ 衣 架”。

图1.2 悉尼港湾大桥

1. 塔歇尔桥

位于巴拿马运河上的塔歇尔桥（1959年〜1962年）。拱桥的跨中部分为跨度为 170m 的边跨悬臂支承259m 跨度的系杆拱结构，中央总跨长 343m。 拱架上弦结构的顶点位于路面顶点上49m处，在水面上方约 117m处。桥下净空高度61m，宽度随150〜240m水位变化而变化。拉杆拱的中跨部分纵向固定在悬臂端上，该悬臂端伸出靠近其中一个桥墩并且可以在另一端的伸臂上纵向滑动。该部分的最大轴承反力为1540吨，采用50厘米大的枢轴和摆式支撑^[1-3]。两主拱拱肋中心间距为 14.3m，中跨343m 的上部结构，在拱系杆的平面内通过纵向联结系连接于桥墩伸臂下弦杆的平面内,上部纵向联结系设于拱上系杆的平面内，桥上的风荷载传往设在两侧桥墩的桥门架上^[2]。全桥用钢量达到13000 吨。

图1.3 巴拿马塔歇尔桥

1.2.2国内钢桁架拱桥的发展与应用

作为我国的第一座钢桁架梁桥的武汉长江大桥，武汉长江大桥全长1670.4m，是一座公铁两用桥梁，主桥构造为连续钢桁梁并划分为三联3×128m。1969年，我国又自行设计，制造，施工并利用国产高强钢材制造了南京长江大桥。南京长江大桥正桥除北岸第一孔为128m简支钢桁梁外，其余三联为3×160m连续钢桁梁，公铁两用，包括引桥在内，铁路桥梁全长6772m,公路桥梁为4589m，标志着我国钢桥建设已接近世界先进水平^[5]。在这之后，我国钢桥设计建设水平不断提升。1993年，采取了国产优质合金钢的九江长江大桥，完成从由铆焊结构向栓焊结构的过渡。该桥铁路部分全长7675.4m,公路部分长4215.9m,通航孔为180m 216m 180m的钢桁梁与钢拱组合体系^[5]。

随后，桥梁用钢一般采用优质低合金高强钢，构件连接从早期的铆接过渡到螺栓连接及焊缝连接、全焊式整体节点杆件的连接，大跨度的钢桁架拱桥的建设不断增大：1966-1969年在四川省内建成的钢箱拱桥和钢桁拱桥主孔跨径达180m。2003年在上海建成的主桥跨径为100m 550m 100m卢浦大桥，是一座中承式无推力飞鸟形钢箱肋提篮拱桥，跨径超出美国1977年以来蝉联世界纪录的新河桥，缔造了新的世界之最。下面简述了近年来我国建成的大跨度钢桁架拱桥。

表1-2我国部分大跨度钢拱桥

1. 卢浦大桥

作为世界上跨度第二长的钢结构拱桥，于2003年6月竣工。它是世界上首座彻底采取焊接工艺拼接的大型拱桥（除合拢接口采用栓接外），现场焊缝总长度达4万多米。主桥全数采取钢结构，长750米，宽28.75米，一跨过江，主跨跨径达550米，缔造世界钢管拱桥的第一次。主桥桥面分为6车道。主拱横截面高9米，宽5米，工程总投资20多亿元。

桥身形状呈优美的弧型，在设计上囊括了三种不同类型桥梁设计工艺：斜拉桥、拱桥和悬索桥。它是现今世界上单座桥梁制造中施工工艺最冗杂、用钢量最庞大的大桥。

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