无铰索-拱复合结构设计与力学性能分析

doi:10.3969/j.issn.1674-0696.2020.07.08

重庆交通大学学报（自然科学版） ›› 2020, Vol. 39 ›› Issue (07): 47-59.DOI: 10.3969/j.issn.1674-0696.2020.07.08

无铰索-拱复合结构设计与力学性能分析

严仁章1,2，朱美豪1,2，王帅3，邱俊澧1,2，周建庭1,2

(1. 重庆交通大学省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室，重庆 400074； 2. 重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074； 3. 重庆航天职业技术学院，重庆 400021)

收稿日期:2019-03-05 修回日期:2019-05-31 出版日期:2020-07-16 发布日期:2020-07-21
作者简介:严仁章（1987—），男，重庆人，副教授，博士，主要从事桥梁钢结构与大跨径结构方面的研究。E-mail：rz_yan@cqjtu.edu.cn 通信作者：周建庭（1972—），男，浙江金华人，教授，博士，主要从事桥梁检测与加固方面的研究。E-mail：jtzhou@cqjtu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金青年基金项目（51708067）；重庆市基础科学与前沿技术研究专项项目（cstc2017jcyjAX0463）；山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地开放基金项目(CQSLBF-Y16-11)；重庆市研究生科研创新项目(CYS19239)

Design and Mechanical Properties Analysis of Cable-Hingeless Arch Composite Structure

YAN Renzhang1,2, ZHU Meihao1,2, WANG Shuai3, QIU Junli1,2, ZHOU Jianting1,2

(1. State Key Laboratory of Mountain Bridge and Tunnel Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2. School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 3. Chongqing Aerospace Vocational and Technical College, Chongqing 400021, China)

Received:2019-03-05 Revised:2019-05-31 Online:2020-07-16 Published:2020-07-21

摘要/Abstract

摘要： 无铰拱因构造简单、稳定性好而应用广泛，在裸拱上引入预应力形成的索-拱结构可进一步优化结构效能，但现有研究大多针对有铰拱，从而限制了无铰索-拱结构的推广应用。基于无铰拱在均布荷载作用下的弯矩分布规律，利用等效荷载法研究了无铰索-拱结构的预应力设计方法，并对比分析了无铰索-拱与无铰拱的力学性能；针对索-拱结构拱脚弯矩增大幅度较大的现象，提出了先铰支后固支与反向修正制造线形的施工方式；通过对比分析先铰支后固支无铰索-拱结构与对应裸拱结构的静力性能，厘清了预应力对无铰拱的内力优化规律，发现无铰索-拱结构的预应力主要优化了结构在恒载作用下的弯矩，且结构在半跨荷载作用下的稳定性远低于全跨荷载。

关键词: 桥梁工程, 无铰索-拱结构, 预应力设计方法, 先铰支后固支, 静力性能, 稳定性

Abstract: The hingeless arch is widely used due to its simple structure and good stability, the cable-arch structure formed by introducing prestress on the bare arch can further optimize the structural efficiency. However, most of the existing researches are focused on the hinged arch, which limits the popularization and application of the cable-hingeless arch structure. Based on the distribution law of the bending moment of the hingeless arch under the uniform load, the prestress design method of the cable-hingeless arch structure was studied by the equivalent load method; the mechanic properties of cable-hingeless arch structure and the hingeless arch were compared and analyzed. Aiming at the phenomenon that the bending moment of the skewback of cable-arch structure increased greatly, the construction method of change from hinge support to fixed support and reverse correction of manufacturing alignment was proposed. By comparing and analyzing the static performance of the cable-hingeless arch structure with change from hinge support to fixed support and the corresponding bare arch structure, the internal force optimization law of the prestress on the hingeless arch was clarified. It is found that the prestress of the cable-hingeless arch structure mainly optimizes the bending moment of the structure under the action of dead load, and the stability of the structure under the half-span load is much lower than that under the full-span load.

Key words: bridge engineering, cable-hingeless arch structure, prestress design method, change from hinge support to fixed support, static performance, stability

中图分类号:

U441+.5

严仁章1,2，朱美豪1,2，王帅3，邱俊澧1,2，周建庭1,2. 无铰索-拱复合结构设计与力学性能分析[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2020, 39(07): 47-59.

YAN Renzhang1,2, ZHU Meihao1,2, WANG Shuai3, QIU Junli1,2, ZHOU Jianting1,2. Design and Mechanical Properties Analysis of Cable-Hingeless Arch Composite Structure[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University(Natural Science), 2020, 39(07): 47-59.

参考文献

［1］崔晓强，郭彦林，王宏.索拱杂交结构及其在中山大学风雨球场中的应用［J］.钢结构，2001，16(4)：11-13.
CUI Xiaoqiang, GUO Yanlin, WANG Hong. Cable-arch hybrid structure and its application in wind-rain ballpark of Zhongshan University［J］. Steel Construction, 2001,
16(4): 11-13.
［2］蔡建国，王蜂岚，冯健，等.新广州站索拱结构屋盖体系连续倒塌分析［J］.建筑结构学报，2010，31(7)：103-109.
CAI Jianguo, WANG Fenglan, FENG Jian, et al. Progressive collapse analysis of cable-arch structures of the New Guangzhou Railway Station［J］. Journal of Building
Structures, 2010, 31(7): 103-109.
［3］魏丽东，向中富，展宁.中承式钢管混凝土系杆拱桥桥道系施工控制技术［J］.重庆交通大学学报(自然科学版)，2011，30(6)：1311-1313.
WEI Lidong, XIANG Zhongfu, ZHAN Ning.Control technology of half-through CFST arch bridge construction［J］. Journal of Chongqing Jiaotong University(Natural
Science), 2011, 30(6): 1311-1313.
［4］许汉铮，蔡昌伟，李浩师.系杆拱桥吊杆索力计算方法对比分析研究［J］.重庆交通大学学报(自然科学版)，2019，38(4)：23-28.
XU Hanzheng, CAI Changwei, LI Haoshi.Comparative analysis on calculation method of tied archs suspension rod［J］. Journal of Chongqing Jiaotong University
(Natural Science), 2019, 38(4): 23-28.
［5］谢肖礼，马骉，李国平，等.千米级缆拱组合桥概念设计研究［J］.重庆交通大学学报(自然科学版)，2019，38(1)：7-13.
XIE Xiaoli, MA Biao, LI Guoping, et al. Concept design of continuous cable-arch bridge with a span of 1000 m scale［J］. Journal of Chongqing Jiaotong University
(Natural Science), 2019, 38(1): 7-13.
［6］ KRISHNA P. Cable Suspended Roofs［M］. New York: McGraw-Hill, 1978.
［7］剧锦三，王芝芳，郭彦林.索在索拱结构中的作用［J］.中国农业大学学报，2000，5(2)：112-116.
JU Jinsan, WANG Zhifang, GUO Yanlin. Effect of cables on stability analysis of cable-arch structure［J］. Journal of China Agricultural University, 2000, 5(2):
112-116.
［8］徐春丽.新型索-拱结构的平面内弹性稳定性能研究［J］.结构工程师，2016，32(2)：53-59.
XU Chunli. In-plane elastic stability performance of a new cable-arch structure［J］. Structural Engineers, 2016, 32(2): 53-59.
［9］王江.索-拱杂交结构线性稳定性初探［J］.华北航天工业学院学报，2004，14(4)：19-20.
WANG Jiang. Primary exploration of linear instability behavior of cable-arch structure［J］. Journal of North China Institute of Astronautic Engineering, 2004, 14
(4): 19-20.
［10］王江，田洪臣.索拱结构平面内弹塑性极限承载力研究［J］.山东农业大学学报(自然科学版)，2005，36(4)：539-544.
WANG Jiang, TIAN Hongchen. Analysis of ultimate load of elastic-plastic in-plane cable-arch［J］. Journal of Shandong Agricultural University(Natural Science),
2005, 36(4): 539-544.
［11］郭彦林，胡淑辉.一种新型预应力索-拱结构的弹性稳定性能研究［J］.空间结构，2005，11(3)： 33-38.
GUO Yanlin, HU Shuhui. Elastic stability behavior of a new type of pre-stress cable-arch structure［J］. Spatial Structures, 2005, 11(3): 33-38.
［12］周倩，张策，周水兴，等.分界点对混合拱桥受力影响研究［J］.重庆交通大学学报(自然科学版)，2019，38(1)：1-6.
ZHOU Qian, ZHANG Ce, ZHOU Shuixing, et al.Mechanical influence of boundary point on compound arch bridge［J］. Journal of Chongqing Jiaotong University(Natural
Science), 2019, 38(1): 1-6.
［13］周建庭，黎小刚，屈建强，等.复合主拱圈加固石拱桥力学性态分析［J］.重庆交通大学学报(自然科学版)，2010，29(6)：849-851.
ZHOU Jianting, LI Xiaogang, QU Jianqiang, et al. Mechanical behavior analysis on stone arch bridge strengthened by composite main arch circle method［J］. Journal
of Chongqing Jiaotong University(Natural Science), 2010, 29(6): 849-851.
［14］冯彩霞，李文超.基于对应两铰拱模型的拱桥拱轴线优化［J］.交通科学与工程，2017，33(4)：26-30.
FENG Caixia, LI Wenchao. Arch axis optimization of arch bridge based on corresponding two-hinged arch model［J］. Journal of Transport Science and Engineering,
2017, 33(4): 26-30.
［15］李新平，陈湖，张勇.抛物线拱的内力精确计算实用公式［J］.科学技术与工程，2010，10(6)：1453-1457.
LI Xinping, CHEN Hu, ZHANG Yong. Practical formula for accurate calculation of parabolic arch internal forces［J］. Science Technology and Engineering, 2010, 10
(6): 1453-1457.
［16］ PELLEGRINO S. Analysis of prestressed mechanisms［J］. International Journal of Solids and Structures, 1990, 26(12): 1329-1350.
［17］ PELLEGRINO S. Structural computations with the singular value decomposition of the equilibrium matrix［J］. International Journal of Solids and Structures,
1993, 30(21): 3025-3035.
［18］张志宏，张明山，董石麟.平衡矩阵理论的探讨及一索杆梁杂交空间结构的静力和稳定性分析［J］.工程力学，2005，22(6)：7-14.
ZHANG Zhihong, ZHANG Mingshan, DONG Shilin. Discussion on the equilibrium matrix theory and static and stability analysis of a hybrid spatial structure composed of
cables, bars and beams［J］. Engineering Mechanics, 2005, 22(6): 7-14.
［19］陈志华，严仁章，王小盾，等.基于环索内力相等的椭球形弦支穹顶结构的预应力分析［J］.工程力学，2014，31(11)：132-145.
CHEN Zhihua, YAN Renzhang, WANG Xiaodun, et al. Prestressing analysis of ellipsoidal string-dome structures based on equivalent internal forces of hoop cables［J］
. Engineering Mechanics, 2014, 31(11): 132-145.

[1]	周建庭1,2，黎娅2，张洪2，夏润川2，杨文琦2. 基于自发漏磁检测的钢绞线两点腐蚀试验研究[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(07): 74-81.
[2]	张华1，张正琦2 ，程高3，4，田伯科1. 黄土地区陡崖坡段桩基合理临坡距研究[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(07): 93-98.
[3]	刘金春，宋子轩，梁栋. 单箱三室连续梁桥在横向温度梯度与汽车偏载下的空间效应分析[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(06): 80-86.
[4]	郑植1,2，耿波2，袁佩2，李嵩林2，胡正涛3. 桥墩复合材料防船撞装置新型连接试验研究[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(05): 66-73.
[5]	张阳1，屈少钦1，卢九章2，霍文斌3. UHPC纤维定向法及对受拉性能影响[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(05): 74-80.
[6]	杜子学，马川翔. 车体铰接式跨座式单轨列车运行稳定性分析[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(05): 122-128.
[7]	曹源文1，陈作1，赵江2，张晓强3，郑婷婷4. 多路况下轮式装载机行驶稳定性研究[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(05): 140-146.
[8]	傅立磊. 基于随机激励响应的参数识别相关函数法[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(04): 70-75.
[9]	苏小波1，肖林2. 空间刚架结构钢-混结合段合理构造模型试验和数值模拟研究[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(04): 76-82.
[10]	华珺1，孙智诚2，赵俊玮1，朱彤2,3. 行人主动安全系统对交通流运行状态影响分析[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(03): 34-42.
[11]	梁宗保1，柴洁1，纳守勇2，马天立1，唐玉1. 基于深度学习的桥梁健康监测数据有效性分析[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(03): 78-83.
[12]	黄维蓉，孟乔，赵可，崔锦栋. 阴离子乳化沥青储存稳定性研究[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(03): 98-102.
[13]	唐启智1,辛景舟1,2,周建庭1,付雷1,3,张俊4. 基于时序分析的锈蚀RC拱损伤识别：仿真与验证[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(02): 69-77.
[14]	戎贤1,2，杨洪渭1，张健新1,2. 带钢端头的装配式混凝土梁柱中节点滞回性能试验研究[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(02): 78-82.
[15]	刘小会，许杨，陈思甜，徐略勤. 人行悬索桥地震响应分析[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(01): 65-71.

无铰索-拱复合结构设计与力学性能分析

Design and Mechanical Properties Analysis of Cable-Hingeless Arch Composite Structure

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics