拱桥承载能力专业.doc

PAGE 第 PAGE 1 页 共 NUMPAGES 36 页 1 绪论 我国是拱桥的国度，建于公元606年的河北赵州桥就充分地显示了中华民族的聪明才智。在地质和地形有利的条件下，拱桥常因经济、美观和刚度较大的有点而中选。由于拱是主要的承受压力的结构，因而，可以充分的利用抗拉性能差而抗压性能较好的圬工材料（石料、混凝土、砖等）来建造拱桥，这种有圬工材料建造的拱桥，也称为圬工拱桥。这种拱桥具有就地取材、节省钢材和水泥、构造简单、有利于普及，承载力大、养护费用少等优点，因此在我国建造的比较多。建于1990年跨径120米的湖南凤凰县乌巢河大桥，是当今世界上跨度最大的石拱桥。 1.1 拱桥的承载能力简述及国内外发展状况 为了减少拱的截面尺寸，减少拱的质量，在混凝土拱中，配置有受力钢筋的，称为钢筋混凝土拱桥。在钢筋混凝土拱桥中，截面的拉应力主要由受拉钢筋承受。这样，桥跨结构的工程数量可相应减少，有效地提高了拱桥的经济效能，扩大了拱桥的使用范围。同时，钢筋混凝土拱桥在建筑艺术上也容易处理，它可以通过选择合理的拱式体系及突出结构上的线条来达到美的效果。在大跨径钢筋混凝土拱桥中，由于自重大，拱截面中由于恒载引起的压应力数值相当大，因此，由活载弯矩引起的截面应力相对较小，故一般都是混凝土压应力控制设计。拱内钢筋的配置，主要根据拱在无支架施工时的要求进行，一旦拱桥建成，这些钢筋并没有充分发挥作用，故它应该属于混凝土拱桥的范畴，但习惯上也称这类拱桥为钢筋混凝土拱桥。 上个世纪50 年代以来，我国建造了大批钢筋混凝土桥梁，其中包括相当多的钢筋混凝土拱桥。这些桥梁经过多年的运营，由于荷载与不良环境的共同作用，出现不同形式的损伤，如混凝土开裂，钢筋锈蚀等，导致性能劣化、承载能力降低，为桥梁的健康使用埋下隐患。因此，开展对既有桥梁承载能力评定的研究十分重要。既有桥梁的损伤存在着复杂性和随机性，加大了对其承载能力的研究难度。针对既有桥梁承载能力的研究，通常是进行现场非破坏性试验，根据测出的结构反应参数,来预测桥梁的承载能力，但由于现场环境的复杂性，荷载也不可能达到破坏荷载，因此预测结果并不一定能完全反映实际情况。 随着建桥材料强度不断提高,计算方法日臻完善,施工技术日益先进，使得拱桥拱圈结构自重减小,跨度增大,采用钢管混凝土结构亦越来越多。但由于各种因素的影响与作用，不同程度地存在砼开裂、破损、空隙、钢筋锈蚀等缺陷，尤其是早期修建的低标准的钢筋砼桥梁的缺陷更为普遍和严重。为了保证结构的安全，发挥投资的最大效益，需根椐既有桥梁的极限承载力和荷载情况确定采取或不采取加固、改造或改建措施，以及采取这类措施的轻重缓急。 拱肋的极限承载力研究方面是在拱桥结构经典分析方法中，建立平衡方程时，忽略结构的变形，假设结构不受拉力影响，每个截面上的内力是按变形前的状态进行计算的。而在结构承载力可靠度分析时，不仅计算模型要反映真实受力状态，考虑构件之间相互作用的影响，根据拱桥结构的损伤情况或结构变化信息对计算模型进行修正，而且在分析过程中要充分考虑材料的真实强度以及材料非线性、几何非线性等的影响。所以当拱桥跨度较大，拱肋较柔时前边的分析方法将过高的估计结构的承载力。 近20年来，结构系统其中包括拱肋可靠性分析技术取得了很大的发展，现已形成两大类方法。一类是专用型方法，特点是，可用于考虑多个机构失效和多个失效模式综合的结构系统可靠性分析问题，具有较高的计算效率。但该方法主要是适用与结构静强度可靠性问题，所涉及的随机变量主要是构件的承载能力与外荷载。另一类方法是通用型方法，它能够处理更广泛的力学问题与更为广泛的随机物理量，但也有局限性，通常情况下存在计算困难，计算费时等问题。 以往针对既有桥梁承载能力的研究，通常是进行现场非破坏性试验，其中主要是电阻应变法，根据测出的机构反应参数，来预测桥梁的承载能力，但是由于现场环境的复杂性，荷载的复杂性，荷载也不可能达到破坏荷载，因此预测结果并不一定能完全反应实际情况。而对既有桥梁老化与损伤构建的实验室试验研究，多数是针对梁来开展的,对于拱形构件的研究非常少。 随着有限元技术[1]的发展，人们逐渐采用非线性有限元方法来求解可靠性问题，它通过求解结构从加载开始到失稳全过程的结构响应，得出荷载-位移关系，求出结构的极限承载力。 对于复杂的拱桥结构如拱肋的极限承载力分析，现在都是采用有限元等数值方法计算，分为线性屈曲和非线性分析。线性屈曲分析假设结构失稳状态为弹性小变形，结构的内力与外荷载成比例关系，结构的稳定分析就转化为求解特征值问题，求得的最小特征值既是失稳临界荷载。当拱肋在结构自重及外荷载作用下产生附加的内力和较大的变形，进行稳定计算时就应计入结构大位移的影响。对于弹塑性材料，拱的极限承载力破坏是伴随结构的材料非线性和几何非线性共同发生的