钢管混凝土拱桥环境温度引起的应力挠度分析

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发布时间：2021-09-12

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钢管混凝土拱桥环境温度引起的应力挠度分析
王新泽
(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北唐山063000)
摘要：分析了钢管混凝土拱的挠度和拱趾处应力随环境温度改变而产生的变化。结果表明：环境温度引
起的轴向应力和拱肋自重引起的轴向应力绝对值均不超过100 MPa；拱肋截面应力变化并非同步，而是
存在一个弯曲效应，环境温度每变化5℃ 引起拱顶竖向位移变化17 mm；由当地最高温度引起的拱顶挠
度变化为向上55．6 mm，由当地最低温度引起的拱顶挠度变化为向下135．6 mm；由环境温度变化引起
的竖向高差不均匀是高速列车行驶的安全隐患，不可忽略。
关键词：钢管混凝土拱桥环境温度挠度温度应力西溪河大桥
中图分类号：U448．22 2 文献标识码：A DOI：10．3969／i．issn．1003—1995．2016．02．09
钢管混凝土拱桥广泛地应用于铁路、公路桥梁中，
特别是随着高速铁路的快速发展，对钢管混凝土拱桥
提出了许多新的要求。
钢管混凝土拱桥结构形式多样，其温度研究尚不
充分，距离指导设计施工还有较大距离¨ 。文献
[3—7]研究了拱的温度应力，但是并没有关注温度引
起的拱的挠度变化。而文献[8．9]对有效合龙温度的
理论进行了研究。文献[10—11]则对拱圈在日照辐射
温度场的温度传导进行了研究。
由于高速铁路对挠度要求很高，钢管混凝土拱桥
随环境温度变化所引起的沿桥纵向挠度的变化，将引
起桥面不均匀高差变化，对列车的安全行驶存在重大
隐患。目前针对环境温度引起的钢管混凝土拱桥的挠
度变化研究较少，本文分析了钢管混凝土拱肋(以成
贵高速铁路西溪河大桥为例)的挠度和拱趾处应力随
环境温度改变而产生的变化。
1 有限元模型
1．1 成贵高速铁路西溪河铁路大桥简介
新建高速铁路成都至贵阳线乐山至贵阳段西溪河
特大桥主桥采用240 m跨的上承式钢管混凝土提篮拱
桥，计算跨度240 m，矢高55 m，拱轴系数2．2，矢跨比
1／4．364。拱肋全长范围为等截面，由两肢Q345qd钢
管和其间的两块钢板焊接成哑铃型，内填充C50混凝
收稿日期：2015—06—05；修回日期：2015-10—26
基金项目：住建部科学技术项目(2015一K3—021)；天津市自然科学基金
项目(13JCYBJC19600)；天津市交通运输委员会科技项目
(2014—23)
作者简介：王新泽(1984一)，男，工程师。
土；拱趾起拱两端各53．0 m范围内用两块钢板连接，
内填充C50混凝土构成箱形截面，其余部分用H型钢
连接成格构段。图1为西溪河大桥布置示意。
图1 西溪河大桥布置(单位：em)
桥址区属亚热带季风气候区，据附近大方县气象
资料，该地区多年平均气温l5．7℃ ，极端最高气温
39．4℃ ，极端最低气温一14．2℃ 。
1．2 有限元模型介绍
钢管混凝土目前有3种计算理论：将钢管混凝
土视为一种特殊的材料；将钢管或者混凝土折算为另
外一种材料；将钢管和混凝土视为两种不同材料并考
虑二者的黏结。本文采用独立建模方式，将Q345qd
钢材和C50混凝土分别建立模型，视钢材和混凝土同
步变形，不考虑二者的滑移效应。
建模采用ANSYS有限元软件，桁架拱杆件采用空
间梁单元Beam188，盖板采用Shell181单元，混凝土采
用Solid45单元，不同单元采用共节点方式以实现变形
协调。西溪河大桥主桥拱桁采用Q345钢管，钢桁架
弹性模量E =2．1×10 MPa，泊松比 =0．3，拱桁内
部分灌注C50混凝土，弹性模量E =3．5×10 MPa。
泊松比 =0．2。模型如图2所示。
Q345qd钢材热膨胀系数取1．2×10 ／℃ ，弹性
模量取210 GPa，泊松比取0．3；C50混凝土热膨胀系