部分斜拉桥毕业论文

索结构在桥梁工程中的应用及基本防腐处理措施 摘要:研究目的:索结构在桥梁工程中得到了日益广泛的应用,其主要应用桥型范围是悬索桥、斜拉桥、拱桥、系杆拱桥等,索的构造也相应分为缆索、拉索及吊索等多种类型,根据桥梁索结构所处的环境条件,相应对其提出了很高的防腐性能要求。研究结论:索结构由于其优异的材料性能特点,在桥梁等多种工程中得到广泛应用,为保证长期安全使用,对索结构的防腐应采取综合工程措施。目前对构成索结构的材料采取的基本防腐处理措施主要为热浸镀锌和环氧喷涂处理。关键词:桥梁工程;索结构应用;腐蚀特点;防腐措施;热浸镀锌;环氧喷涂随着我国桥梁建造水平的提高,在对桥梁与运输服务的综合效益、与周边环境相协调的景观要求、与结构使用寿命相一致的耐久性设计等方面都提出了更高的要求,悬索、斜拉等桥型结构的应用日趋普遍,对索结构的防腐处理提出了新的要求与课题。1索结构在桥梁等工程中的应用特点索结构在桥梁工程中得到了日益广泛的应用,根据索的应用部位、结构受力及变形特点,主要包括缆索、拉索及吊索等多种类型,索的材料主要由钢丝束、钢绞线、钢丝绳等柔性构件构成,同时部分有类似功能要求的构件也可采用圆钢等(如小跨度吊桥的吊杆等),索结构在桥梁工程中的主要应用桥型结构范围是悬索桥、斜拉桥、拱桥、系杆拱桥等,其中包括悬索桥的主缆索和吊索、斜拉桥的斜拉索、拱桥及系杆拱桥的吊索、水平拉索(明索)等,对于一些桥梁结构的特殊处理(包括施工过程中的临时受力需要)及旧桥加固等有时需采用体外索的处理形式,也属索结构在桥梁工程中的应用范围。另外,也有一些诸如预应力锚索等也在包括桥梁等很多工程中得到日益广泛的应用,特别在水电、高挡墙路基、桥梁以及其它各种加固工程等应用十分广泛,对保证工程安全、有效控制工程投资发挥了重要作用,尽管有些严格从结构特点上判断不属于索结构,但从防腐处理考虑则很多具有类似的技术要求。对不稳定的岩(土)体采用预应力锚索体系进行整体加固已成为目前基本选择和常规做法,工艺上也具备愈加成熟的特点,在道路工程设计施工中也常常面临高路基工程,从满足受力要求、节省工程量、节约占地需求、降低工程投资、改善外观效果等方面考虑,自立互锚(或半自立锚固)混凝土挡土墙也应用较多,山区地形条件更是如此,桥梁工程中也有较多应用工程实例,以切实保证结构安全及设计合理,如在万州长江二桥的锚碇结构设计中,根据工程地质条件,为保证结构安全及有效控制工程量,锚碇前端采用了预应力岩锚体系。目前,从桥梁跨度、桥型构造特点、结构美观、施工条件等各种因素综合考虑,索结构在桥梁工程中的应用前景十分广泛,包括永久工程及临时工程等,尤其是钢索的柔性结构特点对施工可以带来很大便利,而随着材料科学的不断发展,用于索结构的主要材料钢丝、钢绞线、钢丝绳等材料强度不断发展、规格系列越发齐全、防护水平显著提高,同时设计计算分析水平及施工操作水平也迅猛提高,以上各种条件变化为索结构在桥梁工程中日益广泛的应用创造了良好条件。根据腐蚀条件及长期使用经验,对包括桥梁用各类索结构的防腐处理引起工程界愈加高度的重视,成为衡量桥梁工程设计施工质量、保证结构耐久性关键控制因素之一,结合有关防腐处理研究部门及相关生产厂家的共同努力,其防腐处理的工艺及技术水平也有了很大提高,除对索结构的基本材料钢丝、钢绞线等本身外表面必须进行必要的防腐处理,通常采用热镀锌或环氧涂层防护等处理措施,还需对成型后的缆索或索股等采用其它防护处理措施,为切实保证其有效防护使用年限要求、提高整个工程的使用性能条件提供良好保证。对由平行钢丝或钢绞线构成的各种拉索、吊索等构造,其成型规格尺寸通常不是很大,一般外表面采用热挤PE进行防护,应在工厂进行专业化施工,同时PE材料也具备较好的现场修补条件,热挤PE有单层或双层构造,外层有多种色彩选择,可以满足防护及景观效果等多方面要求;悬索桥主缆在成桥后需对其采取综合防护处理,有较高技术要求;对于由钢丝绳构成的索结构通常可采用涂装或油脂防护;此外,对索结构的锚固与其它构造的衔接处理也高度重视,采取了一系列工艺改进措施。2桥梁索结构应用中存在的主要问题由于索结构基本为体外构造,暴露于大气环境之中,处于十分不利的腐蚀环境条件,因此,用于桥梁工程时必须充分考虑其很高的防腐性能要求,不仅包括索的自身防腐处理,对其与相关构造的衔接处理也需予以高度重视,且在很多情况下成防腐薄弱环节及影响结构安全的控制因素,必须采取有效措施切实保证其耐蚀性要求,为确保结构整体安全创造有利条件。在以往国内外桥梁工程设计施工中,尽管针对索的防护重要性有一定认识,通常也都采取了相应的防护处理措施,但由于受当时防护处理技术水平、认识水平及重视程度不够的制约影响,因而由于对索的防护处理不力、影响工程正常使用及需要进行返工处理的工程实例很多,而进行相应事故的处理投资费用很高,且费工费时,对正常交通一般也会造成很大影响,个别严重的还会造成工程报废,所造成的影响及损失更大,从结构特点及以往工程实例特点分析,其中斜拉桥出现的问题更多一些,由此造成了很大的直接及间接损失,拱桥的吊索也很容易发生类似问题。针对悬索桥结构而言,对其主缆的防护历来十分重视,通常除对材料本身进行必要的防护处理外,对成型后的缆索外表面通常还会采取一系列其它防护处理措施(结构封闭及涂装处理),使之缆索处于相对封闭状态,同时主缆的受力特点也决定了其受力条件较为均匀,应力幅度变化相对不大,两端连接锚头基本采用工艺成熟的热铸锚工艺,材料性能匹配较好,通常不会出现腐蚀局部薄弱环节,基于以上特点,悬索桥由于主缆防护处理不利出现重大工程事故的不多,因而就主缆防护存在一定的重视不够或认识不足之处,在较长一段时间就此方面的技术发展进步相对不大,但并不表明其缆索的的防护处理就不存在技术问题。由于大跨度悬索桥对主缆索进行了封闭处理,进行相应检查较为困难,有些问题不能及时发现和暴露出来,但近年来美国、日本等国家对以往修建的大跨度悬索桥主缆索进行的相关检查(拆除外表面涂装及缠丝后)中发现,其主缆钢丝的锈蚀现象较为严重和普遍,主要原因是虽然对钢丝自身及缆索外表面进行了相关的防护处理,但外表面防护处理仍难以完全避免外部水汽浸入,防护涂层的龟裂及索鞍、索夹等防水薄弱环节的存在是主要原因,而水汽一旦浸入则很难顺利排出,由此形成主缆内部湿度很大,严重恶化了其腐蚀环境,造成钢丝锈蚀,因而近年来除该改进缠丝材料构造及工艺、采取进一步的封闭措施外,还考虑采用必要的除湿设备,当然工程投资会有所增加,但考虑长期使用目的仍是必要的。我国进行现代意义的大跨度悬索桥建设时间不长,各桥梁工程对主缆也尚未进行相关检查,有些可能出现的问题也尚未暴露出来,但借鉴国外经验,对主缆防护采取各种加强措施仍是十分必要的。国内外桥梁工程由于对索的防护处理不利造成较大影响及损失的主要工程实例有:德国汉堡的Kohl-brand Estruary桥,由于斜拉索腐蚀严重,建成的第三年就更换了全部的斜拉索,耗资达6 000万美元,是原来斜拉索造价的4倍;委内瑞拉的Maracibo桥,建于1958~1960年间,受当时技术水平制约,其斜拉索没有进行镀锌处理,采用一般的涂漆防护,经过不断的风雨侵蚀,斜拉索锚头处的锚箱罩盖率先损坏,进而使得斜拉索与上锚箱的接口处发生锈蚀,且相当一部分锈蚀十分严重, 1979年发生个别斜拉索断裂,因此决定对全桥斜拉索进行更换,全部进行镀锌处理,并采用了含有铅质的酚醛树脂糊膏进行表面防护,且换索后拉索根数增加一倍;我国广州海印大桥于1988年年底建成, 1995年起陆续发生索股断裂及松断事故,调查表明产生的主要原因是管道压浆工艺未能保证拉索顶部灌注饱满,造成拉索直接与空气接触进而发生锈断,为防止事故的进一步发生,被迫进行全桥换索工程,耗资大量资金及时间; 2001年11月7日,宜宾南门大桥(拱桥)倒塌,事故调查发现拉索已经发生严重生锈;此外,国内外还有许多斜拉桥建成后陆续进行了局部换索或其它处理。美国在1903年建世界上第一座现代化长跨度悬索桥W illiamsburg桥,受当时技术水平和造价制约,没有对钢丝进行镀锌处理而采用一般防护,建成后仅7年就发现钢丝锈蚀断裂, 1922年对缆索补缠镀锌钢丝,但1934年又发现主缆内有水从锚碇处流出,虽陆续采取了多种处理方案,但都没有能够阻止锈蚀发展, 1992年开始被迫进行为期3年的主缆维护工作,耗资7 300万美元。3索结构的腐蚀特点索结构在桥梁工程的应用环境特点基本处于高空之中,主要的腐蚀环境是大气环境腐蚀,在高纬度地区,对悬索桥主缆索通常还要考虑到积雪对缆索的影响。目前构成桥梁索结构的材料基本为高强度钢丝或钢绞线组成,另外钢丝绳在悬索桥吊索中也有较多应用,而钢绞线或钢丝绳也是由不同直径的钢丝在工厂再加工而成,因此高强度钢丝是桥梁工程中索结构的最基本材料,属冷拨碳素钢,包括强度等各项技术指标不断取得提高,目前在不进行镀锌处理等条件下其标准强度多为1 860MPa,而2 000MPa及以上标准是今后的发展方向,且多采用低松弛系列,能够更好地适应工程实际需要,同时,在对钢丝进行镀锌处理过程中,钢丝表面会有一定损伤,因此镀锌钢丝(或钢丝绳)的抗拉强度等有所降低,目前相关标准中通常采用1 600~1 700MPa。由于钢丝的含碳量较高,通常在0. 75% ~0. 85%之间,因此塑性条件相对较差,在没有进行防护的条件下其抗腐蚀性很差,造成钢丝自身腐蚀的主要原因包括应力腐蚀及疲劳腐蚀:应力腐蚀是材料在一定环境中由于外加或本身残余的应力,加之腐蚀的作用,导致金属的早期破裂现象,金属的应力腐蚀破裂主要是对应力腐蚀较为敏感的合金上发生,纯金属很少产生,合金的化学成分、金相组织、热处理对合金的应力腐蚀破裂有很大影响,处于较高应力状态情况下,包括材料内部各种残余应力、组织应力、焊接应力或工作应力在内,且基本为拉应力影响,可以引起应力腐蚀破裂,防止应力腐蚀破裂的主要方法是消除或减少其应力状况,并且通过改变介质的腐蚀性(添加缓蚀剂),选用耐应力腐蚀破裂的金属材料,从而避免相关腐蚀的出现;疲劳腐蚀是钢铁在交变应力作用和腐蚀介质的共同作用下产生的一种腐蚀现象,同时也是在桥梁工程的索结构中发生较为普遍、概率较大的腐蚀现象,减少疲劳腐蚀的主要方法是选择适应相关腐蚀环境的抗腐蚀的材料,同时对材料表面进行镀锌、涂漆等方法减轻疲劳腐蚀的作用。桥梁工程设计施工过程中,针对索结构的应用,从保证其使用安全考虑通常都留有相对较大的安全系数,不同的索结构及材料类型对相应的安全系数有具体要求,尽管如此,各种索结构通常仍是在较高的应力状态下工作的,虽然对于工作疲劳应当没有影响,但是在高应力状态下,腐蚀介质和应力的相互发生作用,如果不进行合理有效的防护处理,其腐蚀是非常容易发生的,腐蚀发生将会大大影响钢丝的受力性能,同时从桥梁工程的构造特点考虑,索结构与其它构造的衔接部位通常也是最易受腐蚀的薄弱的地方,同时悬索桥的主缆索在锚碇范围是通过散索鞍后散开在锚室内进行锚固,而锚碇为地下结构,无论采用何种锚碇构造,锚室内的空气湿度通常都很大,对包括缆索及各种连接构件的防腐都十分不利,目前,在锚碇洞室内通常还需设置排水及除湿设备,以改善洞室内的腐蚀环境条件。1967年12月,美国西弗吉尼亚州和俄亥俄州之间的俄亥俄大桥突然倒塌,事故调查的结果就是因为应力腐蚀和腐蚀疲劳产生的裂缝所致。4钢丝的热浸镀锌处理热浸镀锌工艺在桥梁工程中得到了广泛应用,尤其是在各类索结构的防腐处理中应用更是极为普遍,是目前对钢丝防腐处理的常规工艺方法,对钢丝进行热浸镀锌可以有效防止或减小索结构在制造、运输、架设以及使用过程中的锈蚀,结合其它合理的防腐处理措施,切实保障其耐蚀要求,进而为整个工程的安全长期使用提供良好条件。热浸镀锌工艺已有较长的发展历程,用于钢丝防护主要是随着现代悬索桥的建设而得到发展并逐步扩大其应用范围,美国是世纪上建造现代悬索桥最早的国家,在20世纪30年代就开始在悬索桥上使用主缆及吊索系统用镀锌钢丝,比如世界闻名的金门大桥,而一些没有使用镀锌钢丝的桥梁多因应力腐蚀或腐蚀疲劳而不得不后期进行换索加固。热浸镀锌即是把钢铁浸入温度达440~465℃或者更高温度的熔化锌中进行处理的过程,铁基体与熔锌反应,形成铁-锌合金层覆盖在整个工件表面,镀锌表面有一定的韧性,可耐很大的摩擦及冲击,同时与基体有着良好的结合,钢丝热浸镀锌的基本工艺流程为:除油→水洗→酸洗→水冲洗→熔剂处理→烘干→热镀锌→后处理→收线→成品。热浸镀锌的镀层厚度通常在50~250μm,对于钢丝要求其锌层重量控制在300g/m2以上,同时对附着力按有关要求进行严格的检查控制,镀锌质量保证主要的控制因素包括表面基材处理效果、助熔方式、镀锌时间、引出方式、引出后的处理(锌层均匀性及表面效果)等。5环氧树脂涂层处理5. 1基本材料特点及应用条件环氧树脂是由环氧氯丙烷和双酚基丙烷在碱作用下缩聚而成的高聚物,含有极性高而不易水解的脂肪基和醚键,涂膜的耐化学性好,其结构是刚性的苯环和柔性的烃链交替排列,物理机械性能良好,同时其固化时体积收缩率低,可避免由于内应力的产生影响附着力,由于环氧树脂属热固性树脂,其固化后形成的三维交联的主体结构会导致其很少有分子键滑动,因而使用中需增加其韧性指标,通常可采用胺类固化剂,有机多元胺在常温条件下能与环氧树脂交联固化,所形成的涂膜具有良好的附着力及硬度指标,同时具有耐脂肪烃溶剂性、耐稀酸(碱)性和耐盐水性,防腐性能十分理想。当需要防护处理的金属结构等处于较为特殊的使用环境条件(如埋于地下土层当中等),根据其腐蚀特点及对防腐材料的性能特点要求,可针对配方作进一步改进以满足相关的使用要求。由于煤焦沥青含有环烃结构,如酚或塞酚之类具有很好的抗腐蚀细菌功能,同时具有很好的水下不渗透性,因此,在环氧树脂防腐体系里加入煤焦沥青可使其具有一般环氧树脂所不具有的特性,可以有效提高涂层在土壤中的抗水渗透性及抗细菌腐蚀性能等,其涂料配方由环氧树脂、溶剂、固化剂、填料等组成。根据实际使用环境条件的不同,钢铁等金属材料的腐蚀过程及腐蚀类型较为复杂多样,主要为化学腐蚀及电化学腐蚀等,为保证其使用耐久性及结构安全,必须进行防腐处理,对涂膜的基本质量要求包括涂膜厚度的合理选择、附着力、耐皂化性能、化学耐久性、耐冲击性等。采用环氧树脂涂层防护处理对工艺设备的要求很高,其应用于桥梁等工程的防护处理在美国、日本等国家发展起步较早,国内近年来也发展很快,由于需进行专业化生产的特点,已有部分生产厂家引进了必要的技术和设备,通过消化吸收具备了相应的生产能力。目前在桥梁等工程上应用最多的是环氧喷涂钢绞线(简称SC钢绞线),由于工艺处理复杂,技术要求高,因而其造价相对较高,但由于其优良的防腐性能条件和技术优势使之具备广阔的发展应用前景,主要应用于斜拉索、吊索、桥梁体外索加固、岩(土)体加固及一些地下工程等对防腐性能要求很高的工程,也可用于常规工程,用于桥梁等工程后防腐年限大幅度提高,结构安全更有保障,同时可以有效避免或减少后期损失,如斜拉桥曾较多地发生断索等工程事故需要进行更换处理,其换索施工不仅对正常交通造成很大影响,而且所需费用十分昂贵,各种损失巨大。5. 2SC钢绞线主要技术特点随着高强度预应力钢绞线在包括桥梁等许多工程中日趋广泛的应用,特别是根据各类索结构的构造形式、应用环境特征、腐蚀特点,同时考虑在保证工程整体寿命及结构安全方面的重要作用,对其防腐效果及耐久性提出了越来越高的要求,防腐处理技术的相应发展是其关键,为从根本上有效解决钢绞线的防腐耐久性问题,环氧树脂涂层预应力钢绞线(英文名称 Strand,故简称SC钢绞线)技术得到了很快的发展及应用,从涂装操作特点考虑属粉末涂装法,常用的粉末涂装主要有流动浸渍法和静电喷涂法, SC钢绞线系采用高压静电喷涂法将环氧树脂粉末喷射于钢绞线各根钢丝上,然后加热熔融、固化、冷却,从而在组成钢绞线的各根钢丝外表面形成一层致密的环氧涂膜,为实现这一目标,喷涂前需将钢绞线各根钢丝暂时打散,喷涂后再将其复扭成型。以前对钢绞线的防腐处理通常采用镀锌钢绞线、外表面整体进行树脂填充及涂装环氧层、普通钢绞线外侧设热挤PE防护层等处理方法,而SC钢绞线则是对组成钢绞线的各根钢丝外表面都进行环氧涂膜处理,要求环氧涂膜层有良好的致密性及厚度均匀,因此称之为全涂装钢绞线。SC钢绞线系与其它防腐处理类型的钢绞线的主要区别是由于所用的防腐材料与工艺上的不同,从而造成其防腐效果及钢绞线机械性能方面的较大差异,一般钢丝或钢绞线经镀锌处理后,由于镀锌过程对钢丝表面不可避免地产生一定损伤,因而机械性能均有所下降,体现在设计中的影响主要是强度指标需要降低,另外,镀锌钢绞线表面锌层被刮伤后,刮伤处会产生阴极电化学反应,从而加快腐蚀的发生,其它防腐处理方式也存在一定的薄弱之处,包括防腐效果、物理特性变化、锚具要求、与混凝土的附着效果、对施工操作的影响等方面, SC钢绞线主要技术特点如下:对构成钢绞线的各根钢丝都进行了充分的表面材质调整,各根钢丝一边旋转一边进行涂装处理,与其它涂装法比较,其膜层厚度较薄(平均120 ~180μm)且均匀,同时致密性好,耐磨性强,可靠性高,具有良好的耐离子渗透、耐化学品、耐电压、耐紫外线辐射、耐疲劳性能等基本特点,综合防腐效果十分理想,应用前景广阔。与涂装前的普通钢绞线相比, SC钢绞线的强度及柔软性没有降低,同时,由于涂装处理时的温度不高,不会出现镀锌处理造成的强度损失较大的特点,其强度指标与不涂装钢绞线基本没有区别,松弛率也可保证,十分有利于设计施工控制。普通钢绞线即使出厂不久,局部仍易产生锈蚀或浮锈,而在存放时间较长、保护措施不利条件下或由于施工养护等方面的原因,极易发生较为严重的腐蚀现象,甚至导致报废,而SC钢绞线在制造时需在打散情况下对各钢丝进行表面防腐处理,成型后不会出现防腐蚀薄弱部位,不会发生锈蚀现象,合理的操作可充分保证其涂膜质量。涂装处理后的SC钢绞线较原基材外径变化很小,目前所用的常规锚具、夹片仍可适用,无需另行采用专用锚具,有利于方便施工、合理控制投资。由于膜层厚度相对较薄, SC钢绞线的涂装材料用量较少,有条件作到价格更为合理,现场施工通常不会另行增加费用,目前主要在于出厂价格相对较高,其主要原因在于对设备、技术及操作工艺要求很高等方面因素,同时国内能够生产的厂家也有限,随着普及率的不断提高及各方面条件的不断改善,其价格也会相应降低。6结论(1)索结构由于其优异的材料性能特点,在桥梁等多种工程中得到广泛应用,同时,随着设计施工技术及材料工艺不断发展,其应用范围日益扩大,在工程建设中发挥着极为重要的作用,特别在大型工程建设中具有难以替代的作用。(2)为保证制造质量及精度要求,降低现场工作量及难度,进行工厂化生产制造是主要应用发展方向,应根据工程特点进行合理选择,包括合理的锚固连接构造。(3)根据材料自身及使用环境特点,为保证工程长期安全使用,避免或减少各种损失,对索结构的防腐必须高度重视,采取相应工程处理措施。(4)对索结构的防腐应采取综合工程措施,随着技术进步及认识程度的不断提高,在此方面已取得很大发展。除对索体材料自身进行必要的镀锌、环氧喷涂等措施外,对成型后的索体结构进行热挤PE及其它防护处理措施,可取得良好防腐效果。参考文献:[1]中华人民共和国交通部.公路悬索桥设计规范(报批稿)[S].[2]JTJ 027—96,公路斜拉桥设计规范(试行)[S].[3]GB/T 21073—2007,环氧涂层七丝预应力钢绞线[S].[4]唐清华,郑史雄.斜拉桥与悬索桥的防腐[ J].四川建筑, 2005(1): 125-126.

1) 郑振飞、陈宝春，钢筋混凝土无铰拱非线性平面有限元分析，工程力学，1988年第4期2) 陈宝春、郑振飞，空间曲杆结构的内力分析，全国土木工程学会第五届年会暨第三届全国城市桥梁会议论文集，1990年5月，天津大学出版社3) 陈宝春、郑振飞，拱桥非线性温差的应力分析，福州大学学报，1990年第3期4) 郑振飞、陈宝春，福建古桥的建筑艺术，福州大学学报（社会科学版），1991年第2期5) 陈宝春、郑振飞，弯桥计算方法的研究述评，福建交通科技，1992年第2期6) 陈宝春、蒋春方、郑振飞，多格式斜桥受力分析，福州大学学报（自然科学版），1993年第3期7) 郑振飞、陈宝春，拱桥极限状态设计理论研究，福州大学学报（自然科学版），1993年第4期8) 陈宝春、郭金琼，安溪凤城悬索桥设计探讨， 福州大学学报(自然科学版)， 1995(4)9) 陈宝春、郭金琼、郑振飞，铭选大桥设计， 福州大学学报(自然科学版)， 1996(4)10) 陈宝春等，某钢管混凝土拱桥静载测试分析， 福州大学学报(自然科学版)， 1996(4)11) 陈宝春、张和秋、钱士唐，远行优先环交理论及其在紫阳分离式立交上的应用， 福州大学学报(自然科学版)， 1996(4)12) 陈宝春、吴明仁， PWS编索法在轻型悬索桥上的应用， 福州大学学报(自然科学版)， 1996(4)13) 陈宝春，肋板式钢筋混凝土悬索桥， 福州大学学报(自然科学版)， 1996(增刊)14) 陈宝春，钢管混凝土拱桥综述， 桥梁建设，1997(2)15) 陈宝春、郭金琼、毛承忠等，316国道福建闽清石潭溪大桥优化设计， 哈尔滨建筑大学学报， 中国钢协钢-混凝土组合结构协会第六次年会论文集，1997(5)16) 陈宝春、孙潮，石潭溪大桥施工受力分析， 中国公路学报， 11(4)，1998年12月，pp:51-5717) 陈宝春，钢管混凝土单圆管肋拱桥设计计算探讨， 福州大学学报(自然科学版)， 1998年12月， 26(6)，pp: 81-8518) 陈宝春、邹中权，兰溪大桥钢管混凝土刚架系杆拱设计，湘潭矿业学院学报，13（4），1998年12月，) 陈宝春，钢管混凝土刚架系杆拱设计，中国公路学会桥梁与结构工程学会1998年学术会议论文集，人民交通出版社20) 陈宝春、徐爱民，钢管混凝土拱肋截面温度场分析，哈尔滨建筑大学学报，中国钢协钢-混凝土组合结构协会第七次年会论文集，1999（3）：86-9121) 刘玉擎、陈宝春、彦坂熙 等，コンクりート充填钢管ァーチ桥の非缐形地震応答特性，第25回地震工学研究発表会讲演论文集，) 刘玉擎、陈宝春、彦坂熙．中国における钢管コニケリート合成ァーチ桥ぉょび水平旋回架设工法の発展，桥梁と基础（日）．1999（2）23) 陈宝春、陈友杰，钢管混凝土肋拱面内受力全过程试验研究，工程力学，17（2），2000年， pp. 44—50（EI收录）24) CHEN Baochun， LIN Ying， XU Aimin， Analysis of the CFST Arch Bridge Temperature Inner Force， Composite and Hybrid structures， Proceedings of the 6th ASCCS Conference on Steel and Concrete Composite Structures， Los Angeles ， March， 2000， pp. 239--24625) Chen Baochun， Chen Youjie， Experimental Study on Whole Process of CFST Rib Arch Bridge under In-plane Loads， Composite and Hybrid structures， Proceedings of the 6th ASCCS International Conference， March， 2000， Los Angeles， pp167--17226) 陈宝春、徐爱民、孙潮， 钢管混凝土拱桥温度内力计算时温差取值分析，中国公路学报， 13（2），2000年4月，pp. 52—56（EI收录）27) Baochun Chen， Shuisheng Chen， Yuqing Liu， Preliminary Analysis of Natural Vibriation Characteristics and Anti-seismic Behavior of Concrete Filled Steel Tubular Arch Bridges， Theories and Applying of Structural Engineering (Proceedings of the Sixth International Symposium on Structural Engineering for Youth Experts)， Yunan Science and Technology Press， pp136-14628) 陈宝春，钢管混凝土拱桥结构设计探讨，中国土木工程学会桥梁与结构工程学会第十四届年会论文集，上海：同济大学出版社，2000年：505—51229) 陈宝春、刘织、林涵斌，世界海底隧道工程进展与台湾海峡通道构想，福州大学学报（自然科学版），28（4），2000年8月：51-5530) 陈宝春、陈友杰、刘玉擎，钢管与钢管混凝土复合拱桥，桥梁建设，2001（1），总第134期：17—2031) 陈宝春、孙潮、陈友杰，桥梁转体施工方法在我国的应用与发展，公路交通科技，2001（2），pp24—28 ，32) 刘玉擎、陈宝春、彦阪熙，架构式合成タイドァーチ桥の构造特性ぉょび耐震性能，构造工学论文集，Vol. 47A，，PP：1475-148433) 刘玉擎、陈宝春、彦坂熙．中国における长大スパン复合バランスドァーチ桥，桥梁&都市Project（日）．2001（4），， pp：40-4434) Chen Baochun， Chen Youjie， Liu Yuqiong， HYBRID ARCH BRIDGE OF STEEL TUBE AND CONCRETE FILLED STEEL TUBE，Proceedings of the Third International Conference on Arch Bridge， 19-21， Sept. 2001， Paries France35) 吴庆雄，陈宝春，高桥和雄等，中国におけるコニケリート充填钢管合成ァーチ桥の建设の状况と技术の课题[J]. 桥梁と基础（日），2001（10）：40-46，36) 陈宝春、王来永、陈水盛， 钢管混凝土悬臂短柱试验研究，福州大学学报（自然科学版），29（6），2001年12月，pp: 98-10337) 陈宝春，钢管混凝土拱桥施工问题研究[J]，桥梁建设，2002（3），总第143期，55-5938) Baochun Chen，STATE OF THE ART REPORT ON CONCRETE FILLED STEEL TUBULAR ARCH BRIDGE， Proceedings of the Seventh International Symposium on Structural Engineering for Young Exports， August 28-31 2002， Tianjin， China， Science Press， 2002，Beijin: 759—765（ISTP收录）39) 陈宝春，欧智菁，王来永，韩林海，钢管混凝土偏心受压承载力试验分析，福州大学学报（自然科学版），30（6），2002年12月，pp:838-84440) Chen Baochun，Hikosaka Hiroshi，Eccentricity Ratio Effects on the Behavior of Eccentrically Loaded CFST Columns，Advances in Structures， Proceedings of Advances In Structures--Steel， Concrete， Composite and Aluminium， Sydney， Australia， 22-25 June 2003， A. A. Balkema Publisher， pp:973-978 （ISTP收录）41) 陈宝春、秦泽豹、 彦坂熙、陈友杰，钢管混凝土拱（单圆管）面内受力双重非线性有限元分析，铁道学报，25（4），2003年8月，80－84（EI收录）42) 陈宝春、王来永、欧智菁、韩林海. 钢管混凝土偏心受压应力—应变试验研究，工程力学，20（6），2003年12月，154-159（EI收录）43) 陈宝春，钢管混凝土拱桥计算理论研究进展[J]，土木工程学报，36(12)，2003年12月，pp：47－5744) Bao-Chun Chen，INSPECTION AND STRENGTHENING OF THE WULONGJIANG BRIDGE，Proceedings of 8th International Conference on Inspection， Appraisal， Reparis & Maintenance of Structures， 18-19 December， 2003， Singapore， 41-4645) 陈宝春， 陈友杰， 王来永， 韩林海，钢管混凝土偏心受压应力—应变关系模型研究，中国公路学报，17（1），2004年1月，pp：24－2846) Chen Baochun，Hikosaka Hiroshi，Eccentricity Ratio Effects on the Behavior of Eccentrically Loaded CFST Columns，Advances in Structures， Proceedings of Advances In Structures--Steel， Concrete， Composite and Aluminium， Sydney， Australia， 22-25 June 2003， A. A. Balkema Publisher， pp:973-978 （ISTP收录）47) 陈宝春、秦泽豹、 彦坂熙、陈友杰，钢管混凝土拱（单圆管）面内受力双重非线性有限元分析，铁道学报，25（4），2003年8月，80－84（EI收录）48) 陈宝春、王来永、欧智菁、韩林海. 钢管混凝土偏心受压应力—应变试验研究，工程力学，20（6），2003年12月，154-159（EI收录）49) 陈宝春，钢管混凝土拱桥计算理论研究进展[J]，土木工程学报，36(12)，2003年12月，pp：47－5750) Bao-Chun Chen，INSPECTION AND STRENGTHENING OF THE WULONGJIANG BRIDGE，Proceedings of 8th International Conference on Inspection， Appraisal， Reparis & Maintenance of Structures， 18-19 December， 2003， Singapore， 41-4651) 陈宝春， 陈友杰， 王来永， 韩林海，钢管混凝土偏心受压应力—应变关系模型研究，中国公路学报，17（1），2004年1月，pp：24－28（EI收录）52) 陈宝春，拱桥技术成就与展望，第二届全国公路科技创新高层论坛论文集，朝华出版社，2004年，121－12553) 陈宝春、黄卿维、盛叶，体外索预应力混凝土桥梁的发展，中外公路，24（2），2004年4月，34－3754) Bao-chun CHEN You-jie CHEN，Nonlinear Finite Element Analysis of Concrete-Filled Steel Tubular Truss Arch，Advances in Concrete and Structures， Proceedings Of International Conference ICACS 2003， 17-19 September 2003， Xuzhou， China， pp:1367-137255) 陈宝春、杨亚林、孙潮，铝桥的应用与发展，世界桥梁，2004（2），2004年6月，68－7056) 陈宝春、黄福云、肖泽荣，钢管混凝土哑铃形短柱极限承载力的等效单圆管算法，公路交通科技，21（6），2004年6月：50－5357) 陈宝春，韦建刚，钢管混凝土（单圆管）拱肋刚度对其动力特性的影响，地震工程与工程振动，24（3），2004年6月， pp：105－10958) 陈宝春、彭桂瀚，部分斜拉桥发展综述，华东公路，2004（3），2004年6月，89－9659) 陈宝春、秦泽豹， 钢管混凝土（单圆管）肋拱面内受力性能分析，铁道学报，26（4），2004年8月：87－92（EI收录）60) Baochun Chen， Recent Advances on Design Theory of CFST Arch Bridges， Metropolitan Habitats and Infrastructure--IABSE Symposium， Shanghai 2004， IABSE Reports， Vol. 88， 244-24561) 陈宝春 刘振宇 孙潮，半圆形钢拱的空间稳定性试验，中外公路，24（5），2004年10月，61－6562) Bao-chun Chen， You-jie Chen， Ze-bao Qin， Hiroshi Hikosaka，APPLICATION OF CONCRETE FILLED STEEL TUBULAR ARCH BRIDGES AND STUDY ON ULTIMATE LOAD-CARRYING CAPACITY， Arch Bridge IV， Advances in Assessment， Structural Design and Construction， Proceedings of the Fourth International Conference on Arch Bridge， 17-19， Novt. 2004， Barcelona， Spain， 38-5263) 陈宝春，黄玲，吴庆雄，波形钢腹板部分斜拉桥，世界桥梁，2004（4），2004年12月，5－864）陈宝春、肖泽荣，钢管混凝土哑铃形拱肋灌注管内混凝土时的截面应力分析，中国公路学报，18（1），2005年1月，73－7665）陈宝春、黄福云、盛叶．钢管混凝土哑铃形轴压短柱试验研究[J]，工程力学，22（1），2005年2月，187-19466) 陈宝春、肖泽荣 韦建刚．钢管混凝土哑铃形偏压构件试验研究[J]，工程力学，22（2），2005年4月，89-9567) 陈宝春，黄卿维， 波形钢腹板PC箱梁桥应用综述，公路，2005年7月，2005年第7期，45－5368)陈宝春、盛叶、韦建刚，钢管混凝土哑铃形梁受弯试验研究，工程力学，22（4），2005年8月，119-12569) Chen Baochun，State-of-the-art of the development of arch bridges in China， Proceedings of the 4th International Conference on New Dimensions of Bridge (Keynote paper)， 24-25 October 2005， Fuzhou， China， 13-2470) 陈宝春，林嘉阳，钢管混凝土单圆管拱空间受力双重非线性有限元分析，铁道学报，2005年第6期71）陈宝春，韦建刚，林英，管拱面内两点非对称加载试验研究，土木工程学报，39（1），2006年第1期：43－4972）陈宝春 杨亚林，钢管混凝土上承式拱桥桥型分析，公路，2006年第2期，1－473）陈宝春，黄卿维，600m跨径混凝土拱桥的试设计研究，中外公路， 26（1），2006年第1期：80-8274）陈宝春，超大跨径混凝土拱桥的研究进展，第十七届全国桥梁学术会议论文集，人民交通出版社，2006年4月：198－20475）陈宝春韦建刚林嘉阳，钢管混凝土（单圆管）单肋拱空间受力试验研究，工程力学，23（5），2006年5月，99－10676）Baochun Chen, WEN-Jin Huang，Recent Achievements in Bridge Engineering in China (Keynote report), Bridges-Proceedings of the International Conference on Bridges, Dubronvnik, Croatia, May 21-24, 2006, SECON HDGK, Dubronvnik, Croatia, 2006: 37-5677）Bao-chun Chen, Jing Gao, Huai-ying Zheng，Studies on Behaviors of CFST “Fly-bird-type”Arch Bridge, Bridges-Proceedings of the International Conference on Bridges, Dubronvnik, Croatia, May 21-24, 2006, SECON HDGK, Dubronvnik, Croatia, 2006: 205-21278）陈宝春，杨亚林，钢管混凝土拱桥调查与分析，世界桥梁，2006年第2期，2006年6月：73－7779）WU Qingxiong , TAKAHASHI Kazuo，CHEN Baochun , Using Cable Finite Elements to Analyze Parametric Vibrations of Stay Cables in Cable-stayed Bridges，Structural Engineering and Mechanics，23（6）, Aug20 2006：691－）Bao-Chun Chen，Future Trends on Super-Long Span Arch Bridges，Advances in Structural Engineering—Theory and Application, Proceedings of the Ninth International Symposium on Structural Engineering for Young Experts (ISSEYE-9), Science Press, 18th—21th, Fuzhou: 1997-200281）CHEN Bao-chun, OU Zhi-jing, Analyses on Critical Load of Concrete Filled Steel Tubular Laced Columns Compressed Eccentrically, Proceedings of 8th International Conference on Steel-Concrete Composite and Hybrid Structures, August 2006, Harbin, China, 111-11582）陈宝春，欧智菁，钢管混凝土格构柱长细比影响试验研究，建筑结构学报，27（4），2006年第4期：73－7983）欧智菁，陈宝春，钢管混凝土格构柱偏心受压面内极限承载力分析，建筑结构学报，27（4），2006年第4期：80－83(102)84）陈宝春，黄卿维,葡萄牙亨里克拱桥的设计与施工，世界桥梁，2006（3），2006年9月：1－485）陈宝春，韦建刚，林嘉阳，钢管混凝土拱空间受力性能分析，福州大学学报（自然科学版），34（5），2006年10月：732－73886）陈宝春，王远洋，黄卿维，波形钢腹板混凝土拱桥新桥型构思，中国公路学会桥梁和结构工程学会2006年全国桥梁学术会议论文集，人民交通出版社，2006：209－21687）陈宝春，张伟中，汤意，中空夹层钢管混凝土无风撑拱桥的设计构思，中国公路学会桥梁和结构工程学会2006年全国桥梁学术会议论文集，人民交通出版社，2006：229－23488）陈宝春、秦泽豹, 钢管混凝土（单圆管）肋拱面内极限承载力计算的等效梁柱法，铁道学报，2006年第6期89）陈宝春，高婧，吴庆雄，钢拱桥发展概况，钢拱桥发展论坛，北京交通大学学报，第30卷（增刊），2006年11月：22－3090）Wu Qingxiong, Takahashi Kazuo, Chen Baochun: Influence of Cable Loosening on Nonlinear Parametric Vibrations of Inclined Cables, Structural Engineering and Mechanics,, , February20 2007: 219-237 (SCI, EI收录)91）吴庆雄，陈宝春，桅杆结构的斜索面内固有振动计算的修正Irvine方程，工程力学，24（4），2007年4月，18－2392）Bao-chun CHEN, Jing GAO, Lin YE, Long-Span Concrete Arch Bridges in China, Concrete Structures-Stimulators of development, Concrete Structures-Stimulators of development, Proceedings of the fib Symposium Dubrovnik 2007, Croatia, May 20-23, 2007: 69-7693）陈宝春，黄文金， 圆管截面桁梁极限承载力试验研究，建筑结构学报，28（3），2007年6月，31－3694）Bao-chun Chen, Design of Concrete Filled Steel Tubular Arch Bridge, Proceedings of 4th International Specialty Conference on the Conceptual Approach to Structural Design, 28-29 June 2007, Venice, Italy: 349-35795）陈宝春、欧智菁，钢管混凝土格构柱试验研究，土木工程学报，40（6），2007年6月：32－4196）陈宝春，韦建刚，管拱面内五点对称加载试验研究，工程力学2007年6月，24（6）：73－7897）陈宝春，吴庆雄，王远洋,波形钢腹板混凝土箱拱地震响应分析，地震工程与工程振动, 27（3）， 2007年6月：47－5398）陈宝春，钢管混凝土拱桥应用与研究最新进展，第16届全国结构工程学术会议论文集（第II册），工程力学杂志社，2007年8月：395－39899）Bao-chun CHEN, An Overview of Concrete and CFST Arch Bridges in China (invited lecture), Proceedings ofthe Fifth International Conference on Arch Bridge, 12-14, Sept. 2007, Madeira, Portugal: 29--44100）Bao-chun CHEN, Yuan-yang WANG, Concrete Arch with Corrugated Web—A New Aprroach for Super-long Span Arch Bridge, Proceedings of the Fifth International Conference on Arch Bridge, 12-14, Sept. 2007, Madeira, Portugal: 807-814

高速铁路矮塔斜拉桥主梁局部受力行为分析 高速铁路矮塔斜拉桥主梁局部受力行为分析 季伟强 (铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处，天津 300142) 摘 要：新建商丘至合肥至杭州铁路工程颍上特大桥在主梁斜拉索锚固区采用相比于隔板更为轻巧的横梁结构。针对这种新颖结构，为更好地了解其受力特性、优化构造细节，建立中支点至中跨跨中间的1/4主梁模型。模型考察主梁横梁局部应力，得到增设倒角可降低此处横向拉应力的结论。同时还关注腹板剪力分配，得到在无索区段中腹板承担较大剪力，有索区段相反的结论。最后通过索力作用下桥面板纵向应力分布模式，显示出索力在桥面板的传力路径，为结构局部优化、横向分析及结构配筋提供依据。 关键词：铁路桥；矮塔斜拉桥；局部应力分析；剪力分配；索力传力路径；高速铁路 1 概述 矮塔斜拉桥(Low-tower cable-stayed pidge)也称部分斜拉桥(Partially cable-stayed pidge)，凭借其刚度大、施工方便、经济性好的特点在高铁桥梁建设中得到了越来越广泛的应用[1-2]。桥梁的破坏表现为整体破坏和局部破坏[3-4]，常用的整体杆系模型或者“鱼骨”形模型难以准确反映矮塔斜拉桥主梁细部构造(如变截面问题、畸变、横隔板的作用等)传力趋势[5]，针对主要矛盾建立局部实体模型分析是解决这一问题的常见办法[6-8]。本文针对新建商丘至合肥至杭州铁路工程颍上特大桥() m双线无砟预应力混凝土矮塔斜拉桥主梁，考虑截面倒角及进人洞等细部构造，建立了三维几何模型，并通过全桥杆系模型提取边界条件，经对比验证后施加。对主梁索下横梁受力情况、腹板剪力分配和竖向变形以及索力在主梁传力路径进行了分析。 2 工程概况 本设计为新建商丘至合肥至杭州铁路工程，用于颍上县城郊区跨越颖河，跨越处河道弯曲，宽约370 m，其中主槽宽度约220 m。主桥为双线无砟轨道() m预应力混凝土矮塔斜拉桥，采用纵向“A”型桥塔，每个塔上布置2排支座，纵向间距 m。塔全高 m，桥面以上 m，桥面以上塔高与主跨比为1/。每个桥塔对称设8对250AT-55环氧喷涂钢绞线斜拉索，塔上索距 m，梁上索距 m，中间无索区长 m，斜拉索在梁上张拉，塔上采用分丝管鞍座，主附荷载作用下，索力最大值为7 200 kN。 主梁采用直腹板单箱双室混凝土箱梁，梁高～ m，中支点梁高与主跨比为1/，跨中梁高与中支点梁高比为1/。边支点等高段长7 m，中支点等高段长16 m，跨中等高段长44 m，变高段长80 m，按照二次抛物线变化。箱梁顶宽 m，底宽 m，为方便梁体自由变形，中支点 m范围切除悬臂。桥梁立面及断面分别如图1、图2所示。 本桥在主梁斜拉索锚固采用了相比于隔板更为轻巧的横梁结构，如图3所示，隔板底面与斜拉索锚块底面平齐，距顶板 m，厚 m。 图1 桥梁立面(单位：cm) 图2 桥梁断面(单位：cm) 图3 拉索横梁断面(单位：cm) 3 模型简介 局部模型 实体模型计算采用了通用有限元软件Ansys ，并借助了Auto Cad 2013强大的几何建模能力辅助建模。Auto Cad 2013建立的几何模型和Ansys 处理后的有限元模型如图4、图5所示。 图4 几何模型 图5 有限元模型 仅建立某一节段的模型很难模拟节段两侧主梁对其变形的约束，因此本文模型模拟了中支点截面至中跨跨中截面间的1/4主梁梁段。建模范围如图1所示，并对重点考察部位网格进行局部细化。主梁采用实体单元SOLID45，预应力筋采用LINK8单元[9]。细化区域网格尺寸为 m，其余部位网格尺寸为 m。细化区域包括B1、B5、B8斜拉索下梁段(见图1)，中跨跨中部分无索区梁段，近主塔处部分无索区梁段。梁段模型如图4、图5所示(模型坐标系，X：纵桥向，Y：横桥向，Z：竖向)。 荷载 模型采用面荷载的方式按照实际作用位置施加了二期恒载和活载，模型考虑自重及横向预应力束的作用，有效预应力根据本桥横向框架模型中横向预应力筋的永存应力施加。斜拉索索力根据全桥杆系模型(本文采用MDIAS模型)，在自重、静活载、二期及预加索力作用下的斜拉索力值，索力等效为面力施加于锚垫板上[10]。 边界约束(表1) 表1 边界约束 位置XYZRXRYRZ桥塔处支点截面011101中跨跨中截面100111 说明：X，Y，Z表示3个方向平动自由度；RX，RY，RZ表示3个方向转动自由度，1表示有约束；0表示不约束。 在节段模型的截断处，还存在着两侧梁段对节段模型的作用，其作用除了通过边界约束体现外，还包含边界内力，具体的边界内力数值通过MIDAS全桥模型读取。 边界条件验证 为了验证边界条件的正确性，利用MIDAS模型建立与实体模型相同梁段和边界条件的节段模型[11]。节段模型与整体模型部分内力结果对比如图6、图7所示，坐标系方向同Ansys模型。可以看出，节段模型与整体模型内力MY与FZ相差很小，可认为节段模型所采用的边界条件与边界力无误。 图6 节段模型与整体模型My对比 图7 节段模型与整体模型Fz对比 主梁结构的轻薄化是矮塔斜拉桥的发展趋势[12]，因此本桥在主梁斜拉索锚固采用了相比于隔板更为轻巧的横梁结构，但横梁结构的整体刚度要弱于隔板，因此需要进行实体模型局部应力分析。横梁和腹板连接处按照有、无倒角分为两个方案，有倒角方案倒角尺寸为30 cm(顺桥向)×60 cm(横桥向)×40 cm(竖向)，局部应力计算结果如图8～图11所示(模型拉应力为正，压应力为负)。 斜拉索处横梁与中腹板连接处，在远离主塔的一侧出现较大的横向拉应力。这是由于横梁横向刚度要小于隔板结构，在索力作用下，横梁出现较大拉应力。 图8 B8斜拉索处横梁横向应力(无倒角) 图9 B5斜拉索处横梁横向应力(无倒角) 图10 B8斜拉索处横梁横向应力(有倒角) 图11 B5斜拉索处横梁横向应力(有倒角) 两个方案横梁横向应力峰值见表2，斜拉索呈现出“弓”与“弦”的状态，造成横梁远离主塔侧出现拉应力。无倒角方案横向拉应力值略大于C55混凝土轴心抗拉极限强度[13]，采用有倒角方案后，横梁横向拉应力值有所改善，峰值降为 MPa，应力峰值并未超限，且应力集中区域较小，其他区域应力水平较低，可认为结构安全。对比表2中的计算结果可以看出倒角对于主梁横梁在索力作用下出现的横向拉应力有一定的改善。 表2 横梁横向拉应力 方案B8斜拉索处横梁B5斜拉索处横梁无倒角/有倒角/优化比例/%2910 4 腹板剪应力分配比及竖向位移 统计重点关注截面节点竖向剪应力(Sxz)和竖向位移(Uz)的平均值列于表3，由于3片腹板的截面积相同，因此平均应力的比值就代表了3片腹板承担剪应力的比值。 由表3可以看出，在跨中和近主塔无索区段，中腹板承担了较大的剪应力，为边腹板剪应力的～倍。在有索区段，B1斜拉索区段由于受到近主塔无索区梁段的影响，中腹板还是承担了较大的剪应力，中腹板剪应力为边腹板的～倍。在B5、B8斜拉索区段，由于斜拉索的作用，边腹板承担了较大的剪应力，边腹板剪应力为中腹板的～倍，有横梁的区域剪应力分配较为均匀。 表3 剪应力分配比 位置腹板剪应力/MPa剪应力分配比腹板竖向位移/mm边腹板中腹板中腹板/边腹板边腹板/中腹板边腹板中腹板差值B08斜拉索B05斜拉索B01斜拉索无横梁区有横梁区无横梁区有横梁区无横梁区有横梁区跨中梁段近主塔梁段 5 索力作用下纵向应力传递分析 本节选取B1、B5斜拉索锚块附近主梁顶板，研究索力作用下的纵桥向应力扩散情况，其中B5应力云图代表主梁有索区的纵桥向应力传递模式，B1应力云图代表主梁有索区和近主塔无索区纵桥向应力传递模式，由于模型仅考虑索力作用下纵向应力传递，没有考虑纵向预应力束的作用，所以在B1斜拉索锚块附近顶底板均呈现受拉状态。 由图12、图13可知，索力作用下主梁纵向应力的传力路径，在斜拉索锚固截面，索力纵桥向分力通过锚块传递给桥面板，桥面板两侧承担较大的纵向压应力。索力纵向分力经过一段梁段的传递后，呈现桥面板中部承担较大的纵向压应力的状态。由图14、图15可知，索力纵向分力在约倍顶板宽度传递后，最终在无索区趋向于全桥面近似均匀分布[14，15]。 图12 B5斜拉索处顶板纵向应力(-1～-2 MPa) 图13 B5斜拉索处顶板纵向应力(0～-2 MPa) 图14 B1斜拉索处顶板纵向应力(5～6 MPa) 图15 B1斜拉索处顶板纵向应力(6～8 MPa) 由以上分析可以看出，由于正应力分布不均，主梁同一截面处顶板最大正应力和平均正应力的差值不超过2 MPa。纵向计算结果表明，最大正应力为 MPa，出现在中墩附近顶板，考虑到正应力分布不均匀性后，仍满足规范要求，可认为结构安全。 6 结论 本文结合新建商丘至合肥至杭州铁路工程颍上特大桥主梁斜拉索锚固采用了相比于隔板更为轻巧的横梁结构，进行了局部应力分析计算。重点考察了主梁横梁局部应力、腹板剪力分配以及索力在主梁顶板传力路径，计算结果得出如下结论。 (1)主梁横梁与腹板连接处，在远离主塔一侧易出现较大横向拉应力，增设倒角可在一定程度上降低横向拉应力。 (2)跨中无索区段和近主塔区段，中腹板承担较大的竖向剪应力。其余有索区段，在斜拉索的作用下，边腹板承担了较大的竖向剪应力。 (3)在斜拉索锚固截面，桥面板两侧承担较大纵向应力，随着索力沿桥面传递，截面中部范围承担较大的纵向应力。在无索区，纵向应力趋于均匀分布。 参考文献： [1] 张雷.三塔四跨铁路矮塔斜拉桥设计[C]∥2010年高速铁路特殊结构桥梁设计技术研讨会论文集，2010. [2] 张海，吴大宏.津保铁路矮塔斜拉桥设计关键技术研究[J].铁道标准设计，2013，57(11)：55-58. [3] 刘士林，梁智涛，侯金龙，等.斜拉桥[M].北京：人民交通出版社，2002. [4] 陈启飞，李爱群，赵大亮，等.预应力混凝土斜拉桥主梁局部应力子模型分析及试验[J].东南大学学报(自然科学版)，2007，37(2)：287-290. [5] 邹德义.无锡清明路清宁矮塔斜拉桥拉索区横梁设计[J].城市道桥与防洪，2002 (5)：42-43. [6] 韩清海，吕福刚.矮塔斜拉桥箱型主梁腹板剪力分布研究[J].山西建筑，2012，38(20)：188-190. [7] 姚君芳，盛兴旺，罗劲松.矮塔斜拉桥索力在箱形主梁中分布规律研究[J].中南公路工程，2006，31(2)：158-160. [8] 郝翠，王建国，曹新磊.拱塔斜拉桥预应力索塔锚固区节段应力分析[J].世界桥梁，2010(4):43-46. [9] 吴大宏，王立中，张帅，等.津保矮塔斜拉桥空间分研究[J] .铁道工程学报，2013(4):56-57. [10]邓江涛.高速铁路矮塔斜拉桥墩塔梁固结段局部应力分析与验证[J].铁道标准设计，2016，60(6):43-47. [11]陈从春，周海智，肖汝成.矮塔斜拉桥研究的新进展[J].世界桥梁，2006(1)：70-73. [12]中华人民共和国铁道部.TB —2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005. [13]卢元刚，杨冬春.部分斜拉桥拉索区横梁计算方法讨论[J] .工程设计，2012，26(5)：627-629. [14]谢勇彰，钟敏雄，高飞.矮塔斜拉桥索力在箱型主梁中分布规律研究[J].中南公路工程，2006，31(2)：158-160. [15]曾勇，黄康，王茂强，等.[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2012，36(4)：683-686. Local Analysis of the Main Girder of High-Speed Railway Low-pylon Cable-stayed Bridge JI Wei-qiang (Department of Bridge Engineering Design and Research， The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300142， China) Abstract：YinShang low-pylon cable-stayed pidge of Shangqiu-Hefei-Hangzhou railway Project uses the crossbeam instead of the diaphragm to make the main beam lighter. Aiming at this new structure， a 1/4 main beam solid finite element model between medium support and middle stride is built to better understand the mechanical characteristics and optimize structure details. The finite element model is employed to investigate the local stress of the crossbeam and the conclusion is reached that the chamfer can reduce transverse tension stress. The shearing force of the web plate is also addressed with the finding that the shearing force of the medium web in the section without cable is larger and the opposite is true in the section with cable. Finally， the path of cable force transferred on the deck is identified by the distribution of longitudinal stress under cable forces， which may provide reference for local structure optimization and the horizontal analysis as well as the design of reinforcement． Key words：Railway pidge; Low-tower cable-stayed pidge; Local stress analysis; Shear distribution; Path of cable force transfer; High speed railway 收稿日期：2016-06-27； 修回日期：2016-07-18 基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划重点课题(2016G002-I) 作者简介：季伟强(1990—)，男，助理工程师。2015年毕业于同济大学 桥梁工程专业，工学硕士，E-mail:。 文章编号：1004-2954(2017)02-0063-05 中图分类号：； U441+.5 文献标识码：A DOI：

只要是桥梁工程类的学术论文就行

桥梁工程学的发展主要取决于交通运输对它的需要。古代桥梁以通行人、畜为主，载重不大，桥面纵坡可以较陡，甚至可以铺设台阶。在有重载马车之后，载重量逐步加大，桥面纵坡也必须使之平缓。这时的桥梁材料仍以木、石为主，铸铁和锻铁很少使用。 从桥梁的原始雏形——堤梁（及在浅滩溪涧中筑起一个个石堤，堤间流水，人从石堤上跨越）、独木桥、浮桥（架设在船只上的桥）和石拱到现在超千米跨度的悬索桥，桥梁工程在几千年的时间里发展可谓翻天覆地。然而桥梁工程能拥有这翻天覆地的发展取决于工程材料和工程技术迅猛发展的有力推动。在原始社会里，懵然无知的古人类还只是追求有一个起身的洞穴和能填饱肚子的食物，还不会想到桥。然而随着社会的发展，人类文明的进步，交通的不断发展，人们开始创造了桥。然而那时工程材料的使用仅限于天然的木和石块，且工程技术非常落后，所以人们只能建造简单的桥——堤梁、独木桥和简单的石拱。世界上现存最古老的石桥在希腊的伯罗奔尼撒半岛，是一座用石块干垒的单孔石拱桥，距今3500年左右建成。我国古代桥梁工程技术的发展在当时处于世界领先地位。公元590——608年建造在河北省赵县（叫）河上留存至今的隋代敞肩式单孔圆弧弓形石拱桥，即赵州桥。该桥全长，桥面宽约10m，采用28条并列的石条砌成拱券形成。拱券矢高。拱上设有4个小拱，既能减轻桥身自重，又便于排洪，且更显美观。该桥无论在材料使用、结构受力、艺术造型和经济上都达到极高成就，是世界上最早的敞肩式拱桥，早于欧洲同类桥约1000年。近代土木工程的时间跨度为从17世纪中叶至20世纪中叶的300年间。这个时期内土木工程的主要特征有：——有力学和结构理论作为指导；——砖、瓦、木、石等结构建筑材料得到日益广泛的使用；混凝土、钢材、钢筋混凝土及早期的预应力混凝土得到发展；——施工技术进步很大，建造规模日益扩大，建造速度大大加快。在这个时期内,以下几件大事对桥梁工程的影响巨大: (1)意大利学者伽利略在1638年出版的著作《关于两门新科学的谈话和数学证明》中论述了建筑材料的力学性质和梁的强度，首次用公式表达了梁的设计理论。 (2)英国科学家牛顿在1687年总结了力学三大定律它们是土木工程设计理论的基础。 (3)瑞士数学家欧拉1744年出版《曲线的变分法》建立了柱的压屈理论，得到计算柱的临界受压力的公式，为分析土木工程结构物的稳定问题奠定了基础。 (4)1824年英国人阿斯普.丁取得了波特兰水泥的专利权，1850年开始生产。这是形成混凝土的主要材料，使得混凝土在土木工程中得到广泛应用。后来，在20世纪初，有人发表了水灰比等学说，才初步奠定了混凝土强度的理论基础。 (5)1859年发明了贝塞麦转炉炼钢法，似的钢材得以大量生产，并愈来愈多地应用于土木工程。 (6)1867年法国人莫尼埃用铁丝加固混凝土制成花盆，并把这种方法应用到工程中，建造了一座蓄水池，这是应用钢筋混凝土的开端。1875年他主持建造了第一座长16m的钢筋混凝土桥。 (8)1779年英国用铸铁建成跨度为的拱桥；1826年英国用锻铁建成跨度为177m的悬索桥；1883年美国建成世界上第一座大跨钢悬索桥——布鲁克林桥；1890年英国又建成两孔主跨达521m的悬臂式刚架桥，这样，现代桥梁3种基本形式(梁桥、拱桥、悬索桥)相继出现。 自从有了铁路以后，桥梁所承受的载重逐倍增加，线路的坡度和曲线标准要求又高，且需要建成铁路网以增大经济效益，因此，为要跨越更大更深的江河、峡谷，迫使桥梁向大跨度发展。石材、木材、铸铁、锻铁等桥梁材料，显然不合要求，而钢材的大量生产正好满足这一要求。 在技术方面，只是凭经验修桥，曾使19世纪80～90年代的许多铁路桥发生重大事故；从这时起，正在发展中的结构力学理论得到了重视，而在它的静力分析理论完全确立并广泛普及之后，桥梁因强度不足而造成的事故显然大为减少。 二十世纪以来，公路交通有很大发展。在内陆，需要在更多的河流、峡谷之上建桥。在城市中，以及在各种交通线路相交处，需要建造立交桥。在沿海，既需在大船通航的河口、海湾、海峡修建特大跨度桥梁，又需在某些海岛与大陆之间修建长桥。 由于更多新技术新材料的出现，现代桥梁工程的发展尤其迅速，世界各国相继建造出超千米的桥梁。世界上跨径最大的预应力混凝土斜拉桥——西班牙的卢纳巴里奥斯桥,跨径达440m,采用了双面辐射形密索布置. 世界第一的悬索桥——日本明石海峡桥,横跨日本内海,使日本神户与淡路岛紧紧相连.这座大桥全长3190M,中央跨度1990m于1998年竣工.它可以承受里氏级地震.目前中国在建的一批公路桥梁，无论是桥梁的数量还是工程规模、技术难度、科技含量，都代表着当今世界的先进水平，创造了中国建桥史之最。据悉，这些桥梁主要有：阳逻长江大桥，主跨1280米的悬索桥；南京长江三桥，主跨648米的斜拉桥；润扬长江公路大桥，跨江连岛的主跨1490米悬索桥和406米斜拉桥组合；深圳湾跨海大桥，主跨180米独塔单索面斜拉桥；苏通长江公路大桥，主跨1088米的斜拉桥，居世界第一；杭州湾跨海大桥，按双向六车道高速公路标准建设，全长36公里，是世上在建最长的公路跨海大桥。一个国家同时在建这么多世界级桥梁，在世界上不多见。 桥梁需要大量修建，而人力、物力、财力有限；于是，不断提高技术水平，引用新材料、新工艺、新桥式，对结构行为进行更精确的数值分析，采用更精确的结构试验进行验证，以使桥梁建设的经济效益不断提高，已成为时代的要求。 桥梁工程学主要研究桥渡设计，包括选择桥址，决定桥梁孔径，考虑通航和线路要求以确定桥面高程，考虑基底不受冲刷或冻胀以确定基础埋置深度，设计导流建筑物等；桥式方案设计；桥梁结构设计；桥梁施工；桥梁检定；桥梁试验；桥梁养护等方面。 在建桥材料方面，以高强、轻质、低成本为选择的主要依据，近期仍以发展传统的钢材和混凝土为主，提高其强度和耐久性。对于建筑钢材的脆断机理、初始几何缺陷等，以及混凝土材料的非弹性问题(收缩徐变以及疲劳等)，将继续作充分的研究，使能正确控制结构的受力和变形。至于碳纤维塑料等在桥梁上的广泛应用，还必须在降低成本以后才有可能。 在桥梁勘察设计方面，随着交通事业的迅速发展，大跨度或复杂的桥型将不断涌现。高速公路的发展，对桥梁设计亦将提出新的要求。在桥式方案设计中，将有可能利用结构优化设计理论，借助电子计算机选出最佳方案。 在结构设计计算中，采用空间理论来分析桥梁整体受力已成为可能；以概率统计理论为基础的极限状态设计理论，将进一步反映在桥涵设计规范中，使桥梁设计的安全度得到科学合理的保证。桥梁美学作为时代、民族的文化在某些方面的反映，将愈来愈受到人们的重视：桥梁的面貌将蔚为大观。 在桥梁施工方面，对施工组织将充分利用电子计算机进行经济有效的管理。在施工技术中，将不断引用新技术和高效率、高功能的机具设备，借以提高质量、缩短工期、降低造价。如采用激光测量控制结构的精确定位；引用自升式水上平台克服深水基础的困难；利用遥控设备在沉井、沉箱中挖基，以减少劳动强度并避免人身危险；利用高质量的焊接技术，借能推广工地焊接等，此外，装配式桥梁也将有所发展，以使结构和构件标准化，生产工业化。 在桥梁养护维修方面，要求对既有桥梁建立完善的技术档案管理制度。在桥梁维修检查中，引用新型精密的测量仪表，如用声测法对结构材料的缺陷以及弹性模量进行测定；用手携式金相摄影仪检查钢材的晶体结构俾能及早进行加固防患于末然，以便延长桥梁的使用寿命。 桥梁工程始终是在生产发展与各类科学技术进步的综合影响下，遵循适用、安全、经济与美观的原则，不断的向前发展。人们除了要求桥的功能完善，还讲求桥的外形美观、有艺术性 ，桥梁地建造将更加复杂化，更加艺术化，桥梁的未来将更加多元化，是现代桥梁更现代，还是旧式桥梁的复兴，值得期待！ 中国桥梁的历史可以上溯到6000年前的氏族公社时代，到了1000多年前的隋、唐、宋三代，古代桥梁发展到了巅峰时期。公元35年东汉光武帝时，在今宜昌和宜都之间，出现了架 设在长江上的第一座浮桥。 在秦汉时期，我国已广泛修建石粱桥。世界上现在是保 存着的最长、工程最艰巨的石粱桥，就是我国于1053一1059年 在福建泉州建造的万安桥，也称洛阳桥，此桥长达800米，共47 孔，位于“波涛汹涌，水深不可址”的海口江面上。此桥以 磐石铺遍桥位底，是近代筏形基础的开端，并且独具匠心地用养殖海生牡蛎的方法胶固桥基使成整体，此也是世界上 绝无仅有的造桥方法，近千年前就能在这种艰难复杂的水文 条件下建成如此的长桥，实是中华桥梁史上一次勇敢的突破。 我国古代石拱桥的杰出代表是举世闻名的河北省赵 县的赵州桥（又称安济桥），该桥在隋大业初年（公元605年左 右）为李春所创建，是一座空腹式的圆弧形石拱桥，净跨37m, 宽9m，拱失高度7．23m，在拱圈两肩各设有二个跨度不等的腹 拱，这样既能减轻桥身自重，节省材料，又便于排洪、增加美 观，赵州桥的设计构思和工艺的精巧，不仅在我国古桥是首屈一指，据世界桥梁的考证，像这样的敞肩拱桥，欧洲到19世纪中叶才出现，比我国晚了一千二百多年，赵州桥的雕 刻艺术，包括栏板、望柱和锁口石等，其上狮象龙兽形态逼 真，琢工的精致秀丽，不愧为文物宝库中的艺术珍品，我国 石拱桥的建造技术在明朝时曾流传到日本等国，促进了与世 界各国人民的文化交流并增进了友谊。 1240年建造的福建潭州虎渡桥，也是最令人惊奇的一 座粱式大桥，此桥总长约335m，某些石粱长达23．7m，沿宽度 用三根石粱组成，每根宽1．7m，高1．9m，重达200多吨，该桥一直 保存至今”历史记载，这些巨大石梁桥是利用潮水涨落浮运建 设的，足见我国古代加工和安装桥梁的技术何等高超。 广东潮安县横跨韩江的湘子桥（又名广济桥）此桥始 建于公元1169年，全桥长517．95m，总共20墩19孔，上部结构有 石拱、木梁、石梁等多种型式，还有用18条活船组成的长达 97．30m的开合式浮桥，设置浮桥的目的，一方面适应大型商 船和上游木排的通过，并且也避免了过多的桥墩阻塞河道， 以致加剧桥基冲刷而造成水害，这座世界上最早的开合式 桥，柱石桥之长、石墩之大、桥梁之多以及施工条件之困难 工程历时之久，都是古代建桥史上所罕见的。。 1957年，第一座长江大桥——武汉长江大桥的胜利建 成，结束了我国万里长江无桥的状况，从此“一桥飞架南北，天堑变通途”，桥的正桥为三联3X128m的连续钢桁粱，双 线铁路上层公路桥面宽18m，两侧各设2．25m人行道，包括引 桥在内全桥总长1670．4物，大型钢梁的制造和架设、深水管柱基础的施工等，对发展我国现代桥染技术开创了新路。 1969年胜利建成了举世瞩目的南京长江大桥，这是我国自行设计、制造、施工，并使用国产高强钢材的现代大型桥梁，正桥除北岸第一孔为128m简支钢桁粱外，其余为9 孔3联，每联为3x l60m的连续钢桁粱。上层是公路桥面，下层 为双线铁路，包括引桥在内，铁路部分全长6772m，公路部 分为4589m，桥址处水深流急，河床地，质极为复杂桥墩基础 的施工非常困难。南京长江大桥的建成显示出我国的建桥事 业已达到了世界先进水平，也是我国桥梁史又一个重要标 志。 在最近的1000年中，中国的桥梁技术全面落后于世界的脚步，中国第一座现代化桥梁的出现距今仅100多年历史，而且是由外国人建造的。从钱塘江大桥算起，中国人自己设计现代桥梁的历史还不足70年；从南京长江大桥算起，中国人自行设计建造大型桥梁的历史仅34年。而九十年代以来，中国桥梁的成就才使我们重新无愧于祖先地站到了世界前列，这是中国桥梁建设的伟大复兴时代。改革开放以来的20多年中，中国的桥梁建造技术取得了举世瞩目的成就，前十年为此做了经济上、技术上和人才上的准备，九十年代迎来了跨越式的发展。展望未来，随着中国经济的发展，一批更大的越江跨海工程的建设，中国桥梁将会创造更辉煌的成就。中华民族的伟大复兴，必将造就一代巨人去引领世界桥梁的未来。 1990年四川省在宜宾市建成的小南门桥，跨径达到240米，已是当时世界上中承式拱桥中跨径最大的一座。2001年11月7日，小南门大桥因吊杆锈蚀造成部分桥面跨塌，在修复过程中，技术人员对全桥进行了检测，大桥整体结构依然完好。小南门大桥所付出的代价是创新的代价，没有创新我们就不可能一睹1400年前的赵州桥。 1991年，四川省苍溪县建成了中国第一座钢管混凝土拱桥——旺苍大桥，跨径115米。在此之后的几年中，各地虽然兴建了不少钢管混凝土拱桥，但跨径始终在200米以下徘徊，直到1998年，广西壮族自治区建成了三岸邕江大桥，一举将此类桥梁的跨径提高到270米；1999年又建成了跨径220米的六景大桥。此后，在湖北、浙江和贵州等省，跨径在250米左右的钢管混凝土公路、铁路拱桥开始增多。 1995年贵州省瓮安县建成江界河大桥，首次突破了中国混凝土拱桥跨径 300米大关,达到330米，一举成为世界最大的桁式组合拱桥。不仅如此，其拱顶桥面至水面高度达263米，居中国各类桥梁之首。大桥一跨飞跃乌江天险，主孔分108个桁片预制，运用桁架伸臂法悬拼架设，两岸引孔为桁式刚构，全桥轻盈简洁，凌空飞渡，气势不凡。 1997年重庆万县长江大桥建成。大桥位于万州区（原万县市）黄牛孔处，是上海至成都高速公路跨越峡江天险的特大型拱桥。大桥一跨飞渡长江，全长 米，主拱圈为钢管混凝土劲性骨架箱型混凝土结构，主跨420米，桥面宽24米，为双向四车道，是1995年贵州省瓮安县建成江界河大桥，首次突破了中国混凝土拱桥跨径 300米大关,达到330米，一举成为世界最大的桁式组合拱桥。不仅如此，其拱顶桥面至水面高度达263米，居中国各类桥梁之首。大桥一跨飞跃乌江天险，主孔分108个桁片预制，运用桁架伸臂法悬拼架设，两岸引孔为桁式刚构，全桥轻盈简洁，凌空飞渡，气势不凡。 华夏第一桥——江阴长江公路大桥，是我国“八五”规划的“两纵两横”国道主干线中沿海主骨架的跨江工程，是目前 中国第一、世界第四大跨径钢悬索桥。大桥由桥塔、主缆、锚旋和钢箱梁等主要部件组成。大桥全长3071 米，主跨1385米；桥面宽33．8米，双向六车道，设计车速100公里／小时；通航净空为50米，可通行五万 吨级巴拿马型散货轮。江阴长江公路大桥的两根主索，各长2400多米，直径近1米，每根重1．4万 多吨，主索用127根直径5．3毫米的钢丝搅成索，再由169股钢索组成主索。主桥每边有85个吊杆，每个吊杆2根，用以连结主索和桥面。 两岸索塔标高为196．236米，相当于65层搂高。北塔基长43．5米，宽73．5米，下有123根近90米长的基础桩。北锚的混凝土陈井平面长69米，宽51米（面积相当于一片足球场大）。沉入地面58米，被称为世界第一大沉井。江阴长江大桥于1994年11月22日正式开工，1999年10月1日胜利通车，名列“中国第一，世界第四”。 改革开放以来的20多年中，中国的桥梁建造技术取得了举世瞩目的成就，前十年为此做了经济上、技术上和人才上的准备，九十年代迎来了跨越式的发展。展望未来，随着中国经济的发展，一批更大的越江跨海工程的建设，中国桥梁将会创造更辉煌的成就。中华民族的伟大复兴，必将造就一代巨人去引领世界桥梁的未来。