摘 要

钢管混凝土拱桥具有构件承载力高、塑性韧性性能良好、自重低、施工周期短、防火防腐性能好、造型美观等优点，能解决拱桥材料高强化和拱圈施工轻型化这两大问题，已成为大跨度桥梁的主要桥型之一。但其理论研究尚未成熟，滞后于工程实际，已经暴露了很多亟待解决的问题。

桥梁作为三维的空间结构受力体系，目前常规的分析方法是采用梁杆体系理论。但拱脚处的结构构造及受力均很复杂,采用杆系理论难以精确计算出在荷载作用下拱脚的应力分布规律, 而且拱脚处连接构造都非常复杂，这些是在整体分析中无法考虑到的关键因素。钢管混凝土拱桥体系从整体上来说受力是比较明确的，它要求拱脚处要有足够的强度与刚度,因此有必要采用有限元法对其进行局部应力分析。

本文结合浙江省台州三门县健跳大桥这一特大型中承式钢管混凝土拱桥，依据设计单位给出的施工图纸，采用有限元分析通用软件ANSYS建立其拱脚空间有限元模型，通过提取桥梁通用软件MIDAS/CIVIL整桥建模计算出来的拱脚处的受力数据，施加于拱脚有限元模型中，由ANSYS非线性计算拱脚受力状态，细致分析营运典型工况下健跳大桥拱脚处的位移和应力，为验证结构性维修措施奠定基础。

关键词：钢管混凝土拱桥；拱脚；ANSYS有限元分析

Abstract

CFST arch bridge have the advantage of high capacity, good plasticity and toughness properties, low weight, short construction period, fire corrosion resistance, beautiful appearance, etc. It can solve the issues of high material strengthening and arch lightweight construction. It has become one of the main bridge style of large span bridges. But the theory of it is not yet mature, lags behind the engineering practice, and it has been exposed to a lot of problems to be solved.

As three-dimensional spatial structure of the stress system, the current conventional methods of analysis for bridge is the theory of the beam and the lever system. However, because the structure of the force structure and the arch springing are very complex, it is difficult to accurately calculate the stress distribution under load the arch springing by this theory. And the connection of the arch springing are very complex. These are key factors that cannot be taken into account in the overall analysis. Although the whole force of CFST arch bridge is relatively clear, it requires the arch springing have sufficient strength and rigidity. Therefore, it is necessary to use finite element method for stress analysis of the arch springing.

In this paper, combined with the Jiantiao Bridge ,the large CFST arch bridge, in Sanmen County, Taizhou, Zhejiang Province, according to construction drawings given by the design units, I used Finite element analysis software ANSYS to build the finite element model of t arch springing, by extracting the force data of software MIDAS/ CIVIL of bridge model calculated, then applied it to the finite element model. And I used ANSYS to calculate the arch springing by the nonlinear calculation, then analyzed the displacement and stress of the arch springing of Jiantiao Bridge in typical operating conditions. It lays the foundation for structural repairs verification measures.

Key Words: CFST arch bridge; arch springing; finite element analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 钢管混凝土拱桥概述 1

1.2 钢管混凝土的结构特点 1

1.2.1 承载能力 1

1.2.2 塑性和韧性 2

1.2.3 自重和造价 2

1.2.4 施工工期 2

1.2.5 防火和防腐性能 2

1.2.6 结构造型 2

1.3 钢管混凝土拱桥的结构与构造 3

1.3.1 钢管混凝土拱桥的主要类型 3

1.3.2 主拱圈构造 3

1.4 国内外研究现状 3

1.5 本论文的研究内容及研究意义 4

第2章 健跳大桥拱脚有限元建模 6

2.1 引言 6

2.2 健跳大桥概况 6

2.3 整桥MIDAS/CIVIL模型 8

2.4 拱脚ANSYS有限元模型的建立 9

2.4.1 材料特性参数 10

2.4.2 单元特性 10

2.4.3 边界效应 11

2.4.4 计算假定及荷载处理 11

2.4.5 拱脚模型过渡网格划分 11

2.4.6 荷载工况 12

第3章 健跳大桥拱脚受力状态分析 15

3.1 位移与变形 15

3.2 应力 16

3.2.1 强度理论 16

3.2.2 应力分析 17

3.3 分析结论 20

第4章 结论与展望 21

4.1 结论 21

4.2 展望 21

参考文献 22

致谢 23

第1章 绪论

1.1 钢管混凝土拱桥概述

在桥梁史上，前苏联率先开始研究一种新的拱桥桥型——钢管混凝土拱桥，并分别于1937年和1939年建成了世界上第一和第二座该结构类型的桥梁。在这之后相当长一段时间里，该类型拱桥都没有新的发展与补充,该方面的研究也因此停滞不前。

我国对钢管混凝土拱桥研究与运用虽然起步相对其它发达国家要较晚，但是发展势头足，发展速度较快。在1990年，经过不断的试验与分析，在科学家、研究学者与工程师的努力下，建成了第一座钢管混凝土拱桥，这是我国对该桥型结构应用的一个良好开端。由于钢管混凝土拱桥优点较多，适用性良好，并且当时我国交通设施建设正在如火如荼的进行中，所以我国对该桥型的应用也越来越多。

在这不断发展的过程中也引起了一些问题：

1. 在中下承式钢管混凝土拱桥中，该桥型桥面刚度不足，抵抗变形的能力较差，整体性较差，导致桥梁耐久性与可靠度很难满足要求；
2. 高强吊杆与系杆因锈蚀和疲劳容易引起断裂破坏而丧失其功能；

3、钢管管壁与管内混凝土脱离导致结构构件局部先于整体破坏等。