摘 要

近年来，飞燕式钢管混凝土系杆拱桥广泛应用于我国的交通建设中。它具有跨越能力强，造型美观，能充分利用高强混凝土和钢管的材料性能等特点。该类桥型通过锚固于两侧边拱末端的系杆使结构形成为自锚体系，可大幅度减少拱脚的水平推力，特别适用于地基承载力较差的地区。本文以一飞燕式钢管混凝土系杆拱桥——王安石抚河特大桥为工程研究背景，对该桥进行计算分析，主要的工作内容如下：

（1）通过查阅相关资料，介绍了钢管混凝土结构和钢管混凝土拱桥的概况。

（2）研究了飞燕式钢管混凝土拱桥结构分析的基本理论。

（3）应用通用有限元软件Midas Civil 2015建立全桥的有限元分析模型，对其在成桥、运营阶段进行静力分析，把握飞燕式钢管混凝土系杆拱桥的力学性能。

（4）对王安石抚河特大桥在四种工况下进行了静力分析计算，重点分析该桥的吊杆、主拱肋、边拱肋在运营阶段具有足够的安全系数。

关键词：钢管混凝土；运营阶段；结构分析；有限元模型

Abstract

In recent years, “Fly-bird-type” Concrete-Filled Steel Tube (CFST) arch bridge is widely used in traffic construction in China. It ,with such characteristics as strong spanning ability and beautiful shape, can take full use of the advantages of high-strength concrete and steel. The bridge type is formed by using the tie rod which is anchored to the end of the two side arch to form the self-anchoring system, which can greatly reduce the horizontal thrust of the arch foot, especially for the area where the bearing capacity of the foundation is poor. In this paper, Wang Anshi Bridge ,which is a “Fly-bird-type” Concrete-Filled Steel Tube arch bridge ,was selected as the research object, and the main work have been performed as follows:

(1)To introduce the concrete-filled steel tube and concrete-filled steel arch bridge profile by reading some related materials.

(2) The basic theory of structural analysis of “Fly-bird-type” Concrete-Filled Steel Tube arch bridge is introduced.

(3) The finite element analysis model of the bridge is established by using the bridge analysis software Midas Civil 2015, and the mechanical characteristics in the operating stage of “Fly-bird-type” Concrete-Filled Steel Tube arch bridge is performed by analysis.

(4) The mechanical analysis and calculation of Wang Anshi Bridge is carried out according to the four typical working conditions in order to confirm the arch rib and the hangers are safe enough.

Key Words：Concrete - filled steel tube；operational stage；structural analysis；finite element model

目 录

第一章 绪论 1

1.1钢管混凝土结构概述 1

1.1.1钢管混凝土结构的优点 1

1.1.2钢管混凝土结构的发展 1

1.2钢管混凝土拱桥的主要类型及应用 2

1.2.1钢管混凝土拱桥的发展 2

1.2.2钢管混凝土系杆拱桥的主要类型 3

1.2.3飞燕式钢管混凝土系杆拱桥概述 3

1.3飞燕式钢管混凝土系杆拱桥结构分析研究 4

1.3.1研究现状 4

1.3.2研究目的及意义 6

1.4本文的研究内容 6

第二章 飞燕式钢管混凝土拱桥结构分析理论 7

2.1在恒载作用下的结构受力特性 7

2.1.1主拱受力的简化 7

2.1.2边拱受力的简化 8

2.2 设计计算理论 9

2.2.1强度验算理论 9

2.2.2刚度的计算 9

2.2.3内力的计算 9

2.2.4应力的计算 10

2.2.5钢管混凝土拱肋截面特性的计算 10

第三章 王安石抚河特大桥有限元模型的建立 13

3.1工程背景 13

3.1.1桥梁的概况 13

3.1.2桥梁主要技术标准 17

3.1.3主桥施工方案 18

3.2有限元模型的建立 18

3.2.2拱肋的模拟 19

3.2.3吊杆和系杆的模拟 21

3.2.4横梁和桥面板的模拟 21

3.2.5风撑的模拟 22

3.2.6立柱的模拟 22

3.2.7荷载的施加 23

3.2.7边界条件的模拟 23

3.2.8全桥模型的建立 24

第四章 王安石抚河特大桥的静力分析 26

4.1成桥状态的静力分析 26

4.1.1吊杆的内力、应力分析 26

4.1.2主拱肋的内力、应力分析 28

4.1.3边拱肋的内力、应力分析 29

4.2运营状态的静力分析 30

4.2.1吊杆的内力、应力分析 31

4.2.2主拱肋的内力、应力分析 34

4.2.3边拱肋的内力、应力分析 38

第五章 结论与展望 41

5.1结论 41

5.2展望 42

致 谢 43

参考文献 44

第一章 绪论

1.1钢管混凝土结构概述

1.1.1钢管混凝土结构的优点

钢管混凝土结构即在薄壁钢管内填充混凝土而形成的一种组合结构，可充分发挥这两种材料的性能。因其良好的力学性能和施工特性，钢管混凝土结构与钢结构、混凝土结构相比，具有巨大的优越性，主要体现在以下几方面^[1][1]：

（1）施工简便，节省工期

若采取劲性骨架施工，钢管可以作为施工时的劲性骨架以及模板，节省了施工时需用的支架和模板；同时，钢管的制作标准化，可以加快施工的进度，且钢管内部不需布置钢筋，与钢筋混凝土结构相比，可节省钢筋加工布置的工序时间与费用。

（2）耐火性能好

在高温的情况下时，钢管内的混凝土材料可吸收大量的热能，使得钢管截面温度场的分布不均匀，从而减缓了钢管的升温速度，间接延长了柱子的耐火时间，而在急剧降温时，由于钢管对混凝土的约束作用，也不会发生类似于钢筋混凝土结构的爆裂。

（3）较好的动力特性

钢管的套箍作用使混凝土的延性性能得到较大的提高，又由于其各个方向的强度相同，在抵抗方向不确定的地震荷载和冲击荷载时，混凝土的破坏形式由脆性破坏转为塑性破坏，提高了其耗能能力，因此钢管混凝土结构显示出优越的抗冲击性能。

（4）耐腐蚀性好