钢管混凝土系杆拱桥分析要点说明

123系杆拱桥通过在系梁内施加预拉力，抵消拱肋推力，使桥墩（台）无需承受推力，可以像梁桥一般修建桥墩（台），解决了平原地区拱桥出现的问题。拱肋与系杆截面刚度比在

80-100

时，忽略系杆承受的弯矩，只承受轴力，称为柔性系杆刚性拱。拱肋与系杆截面刚度比在

0-1/80之间时，拱肋只承受压力，不承受弯矩，称为刚性系杆柔性拱。拱肋与系杆截面刚度比在

1/80-80，系杆与拱肋共同承受弯矩，称为刚性系杆刚性拱。飞燕式系杆拱中承式推力拱下承式刚架系杆拱下承式系杆拱某大桥采用下承式钢管混凝土简支系杆拱桥，拱肋采用哑铃型钢管混凝土，横向两片平行拱肋，主跨为100m，设置5道风撑。拱轴线为抛物线，矢跨比1/5，计算失高20m。主拱、风撑主要受力构件Q345qC型钢材，主拱管内压注C50微膨胀混凝土。主桥采用38根吊杆，吊杆间距4.9m，采用GJ钢绞线整束挤压式拉索体系，采用分批间隔式对称张拉。系杆采用预应力混凝土结构，矩形空心截面，纵梁高240cm，宽180cm，预应力采用φ15.2mm高强度低松弛钢绞线。施工方法：先梁后拱，梁采用支架现浇。011.哑铃型联合截面的建立单管钢管混凝土主拱哑铃型钢管混凝土主拱桁架式钢管混凝土主拱L≤80mL≤150mL≤300m单个单元单个单元多个单元导入截面组合梁截面（梁）联合截面组合截面（柱）—组合材料拼接截面—截面特性用户定义刚性链接双单元法重合单元导入联合截面的建立Plane类型line类型12345678910联合截面开始激活时的

施工阶段对应施工阶段激活的单

元编号选择联合截面材料类型：按单元默认材料/重新赋予材料截面各部分激活阶段理论厚度联合前刚度联合后刚度11说明：Plane法截面在计算截面特性时采用的有限应力积分法，计算时截面网格尺寸的划分对结果会产生影响，对于薄壁截面建议网格尺寸为最薄壁厚的1/2。Line法是通过简化公式计算截面特性，与网格尺寸无关，计算速度也快，需要指定壁厚，但在SPC中无法得到剪切面积，也就无法计算剪应力。钢管为line变截面钢管为plane变截面注意：line类型在SPC中无法得到剪切面积，也就无法计算剪应力，同时抗扭惯性矩计算错误。解决方案：抗扭惯性矩可通过在SPC中指定闭合环的形式计算line截面的抗扭惯矩。将line截面单独导入Civil，采用“FEM”

法重新计算，得到剪切面积。说明：Line法是通过简化公式计算截面特性，而FEM采用的是有限单元法，通过积分计算截面参数。面生成错误正确的效果说明：按照完整圆（曲线圆）在cad建立模型时，由于cad和SPC

两个程序在曲线捕捉精度上存在区别，

会造成Plane截面无法真实模拟钢管内部空心的情况。解决方案：使用SPC中Curve>Split命令对每条曲线进行分割成多段直线。在CAD里就采用内或外切多边形的方法，来拟合曲线圆，直接CAD中变为多段直线。在CAD里将全部圆换成2个半圆，然后直接导入SPC。12说明：通过“

数据库/

用户”“

数值”“

型钢组合”“设计截面”建立的截面形式，可以定义任意形式的组合截面。但需要输入各子截面的刚度，叠合刚度可自动计算。注意：用户联合截面需手动进行各个独立截面的拼装，各个界面的位置关系为各个截面形心的位置关系。可按坐标原点位于part1形心处，进行其他截面形心坐标的输入。截面无法显示各个part的激活情况，只显示单元赋予截面形状，但该截面形状只用于消隐不用于计算。《公路钢管混凝土拱桥设计规范

JTG-T

D65-06-2015》编号比较项目标准截面一般截面用户截面1是否需要手工输入数据不需要不需要需要2是否显示各阶段截面的实际形状基本能显示显示不显示3是否限制截面形状限制不限制不限制4子截面个数自带2-3个不限制5建立过程难易度容易较容易稍繁琐6是否支持变截面部分支持支持支持各种类型施工联合截面对比变截面生成错乱Plane变截面line变截面难点：带有圆弧的截面程序处理的方法为以直代曲，因此截面控制点较多，很难保证变截面i、j端截面控制点完全对应。解决方案：使用plane截面生成钢管，plane截面只要求截面形状控制点相对应，

而line截面要求截面控制点一一对应。通过复制、拉伸、缩放等形式由一个截面绘出另一个截面，保证不打乱截面控制点顺序。2.收缩徐变作用的考虑方法说明：钢管混凝土主拱，不考虑混凝土的收缩作用。徐变作用可按截面均匀降温15℃方式近似模拟。《公路钢管混凝土拱桥设计规范

JTG-T

D65-06-2015》说明：钢管混凝土由于属于密闭环境，

其收缩徐变效应小于常规混凝土梁。也保守可按D62规范单独计算混凝土的徐变作用。单独考虑单元的徐变作用3.温度作用的施加《公路钢管混凝土拱桥设计规范

JTG-T

D65-06-2015》说明：不考虑钢管与混凝土之间的温度自应力，因此钢管混凝土截面的线膨胀系数统一取为钢材。单元温度及系统温度的计算，是基于单元材料的线膨胀系数计算。《公路钢管混凝土拱桥设计规范

JTG-T

D65-06-2015》说明：由于组合截面膨胀系数按钢材考虑，所以建议给组合截面单元赋予钢材材料属性。T2T2T2T1

T1

T1=

+

钢管砼温度梯度作用钢管温度作用砼温度作用=+T1T2T1T2T2T1哑铃截面温度梯度思考：温度梯度分层计算的目的是什么？什么时候不需要分层计算？021.基本概念斜拉桥主跨l：L≤250

桁架单元250＜L≤300

桁架/索单元300＜L

索单元桁架单元—小位移，拉压均可

只受拉桁架—小位移，只受拉索单元—大位移，只受拉

系杆拱桥：

桁架单元桁架单元：荷载>预应力>初拉力索单元：无应力索长单元初拉力荷载>预应力>初拉力体内力：结构协调变形前的索力体外力：结构协调变形后的索力？2.成桥索力的确定吊杆索力原则在成桥状态下，吊杆索力均匀，吊杆索力应当有一定的储备，以便保证结构安全。拱肋原则拱肋主要承受压力，充分发挥钢管混凝土的抗压作用，避免拱肋弯矩过大，减少应力过大，尽量避免拱肋混凝土出现拉应力。系梁原则在成桥恒载作用下，系梁线性控制在合理范围内，以满足桥面平顺要求，系梁正负弯矩在要求范围。弹性支撑连续梁法零位移法最小弯曲能法影响矩阵法对称结构任意边中跨比确定初始索力索力微调注意：对称结构零位移法及弹性支撑连续梁法均能得到较理想的索力非对称结构需借助最小弯曲能法（1）未知荷载系数法123说明：求解之前要进入到后处理。求解前给每一根索力单位初拉力。求解的索力结果以荷载组合的形式体现。（2）最小弯曲能法来自：斜拉桥索力优化实用方法—梁鹏说明：拱桥建议将主拱、系杆、吊索轴向刚度放大10e4到10e5倍。平衡态的索力，即为结构弯曲能最小装态的索力。最小弯曲能求解索力为体外力以体外力方式激活转化为体内力（可用于微调）（2）索力微调说明：索力的张拉（或者荷载系数）可以利用输入窗口或柱状图进行微调来确定最优索力。索力微调功能本质是影响矩阵法的可视化方法。索力微调结果可以更新到荷载组合中，也可以更新到索力中。3.施工索力的确定斜拉桥常用的施工方法：1.一次落架法；2.悬臂法同时张拉：无需确定施工过程索力悬臂法：需确定施工过程索力倒拆法（无法考虑收缩徐变及非线性效应）未闭合配合力正装(无法考虑收缩徐变）常用方法无应力状态法(无法考虑收缩徐变）索力迭代（线性）正装迭代法索长迭代（非线性）倒拆法思路：根据成桥目标，倒拆各个施工阶段，进而确定每个施工阶段的索力。缺点：收缩徐变过程不可逆，无法考虑收缩徐变的影响，使用受限。未闭合配合力正装思路：将成桥索力体内力作为施工过程索力建立正装模型，吊杆单元考虑未闭合配合力。缺点：由于设计成桥索力未包含收缩徐变效应，当考虑收缩徐变时导致与成桥索力不闭合。帮助文件：斜拉桥的正装分析过程中，激活某根拉索阶段，索两端节点已经产生了前一个阶段荷载引起的位移。为了安装拉索单元，需要把前一阶段变形的索两端节点拉回原来位置，此时需要的张拉力称为未闭合配合力。利用前一阶段的索两端节点投影到拉索x轴的张拉前后长度差来计算。正装迭代法基本思路：

假定一组施工索力正装，判断成桥索力与目标索力的差值，重新调整施工索力进行正装，直至结果收敛。缺点：操作较繁琐优点：可以考虑收缩徐变、几何非线性效应。说明：本次培训采用的正装迭代法又称为“差值法”，即利用目标索力与成桥索力的差值作为迭代索力的修正值。该方法操作简单，

但个别结构收敛速度较慢。其他方法可

参

考

“

影

响

矩

阵法”“

最小二乘法”等。基本概念补充无应力状态：不受力的初始状态，包括无应力长度和无应力曲率斜拉索无应力索长合拢段无应力长度、无应力曲率未闭合配合力：将激活单元强制施加外力使其与已有单元长度匹配及曲率接顺无应力状态量的特点：无应力状态量是结构本身的一个固有量，要改变单元的无应力长度和无应力曲率必须对构件单元的“外形”有实质的“物理”改变。无应力状态法基本原理无应力状态量：构件单元应力完全释放后的几何参数

（主要包括：长度、曲率、扭转角等）分阶段施工的桥梁结构的内力和位移由四个因素唯一确定：

K

P

L0

结构体系

、边界条件、外荷载、无应力状态量无应力状态控制法原理一：一定的外荷载、结构体系、支承边界条件、单元的无应力状态量组成的结构，其对应的结构内力和位移是唯一的，与结构的形成过程无关。无应力状态控制法原理二：结构单元的内力和位移随着结构的加载、体系转换和斜拉索的张拉而变化，斜拉索的无应力长度只有人为地调整才会发生变化；当荷载和结构体系一定时，斜拉索无应力长度的变化必然唯一地对应一个单元索力的变化。按无应力索长正装的基本步骤：1.求解成桥索力（体内力）2.建立索单元模型，并施加初始索力。3.反算无应力索长。4.以无应力索长正装。说明：索单元属于非线性单元，施工阶段需要进行施工阶段非线性分析，成桥阶段需要定义几何非线性分析。索的分阶段张拉：同一施工阶段的索力，考虑施工过程的实际情况需要分阶段张拉至阶段目标索力，可采用体外力添加的方式。索的分批次张拉：对于满堂支架施工的结构，将索力一次张拉至目标值，可能导致主梁过大的位移或者破坏，一般采用分两批次张拉。二次调索基于一批次索力正装迭代考虑施工过程的二次调索成桥目标施工过程03第一类稳定（分支点失稳）是一种理想状态，将受压构件看做无任何初始缺陷的状态。特点是计算简单，但偏不保守。l/2l/2P1<PcrΔ完善体系（理想体系）直杆（无初曲率）中心受压（无初偏心）Pcr0第二类稳定（极值点失稳）考虑受压构件的初始缺陷（材料或几何等），一般需考虑材料或几何非线性，特点是计算复杂，但更符合构件的实际状态。

l/2l/2P1<PcrΔPcr

0非完善体系具有初曲率的压杆承受偏心荷载的压杆手算：欧拉公式：第一类稳定电算：线性屈曲分析（特征值分析）结构稳定分析方法手算：几乎不可能第二类稳定电算：非线性屈曲分析（几何/材料非线性）一类稳定1定义屈曲分析控制数据荷载系数——特征值仅考虑正值：只输出荷载方向的特征值。搜索：只输出定义范围内的特征值。检查斯图姆序列：勾选该项可检查任何丢失的屈服荷载系数，若存在，会在信息窗口给出报错提示。分析结果输出的特征值就是屈曲荷载系数屈曲荷载=不变荷载+屈曲荷载系数*可变荷载分析运行查看结果主菜单-结果-模态-振型-屈曲模态2屈曲荷载特征值大于1，说明结构在该荷载组合工况下不会发生线性屈曲。临界荷载=不变荷载+特征值*可变荷载二类稳定考虑结构几何初始缺陷程序自动计算和更新初始缺陷查看第一屈曲模态图中的屈曲向量最大的点，一般为拱顶位置。1非线性屈曲分析考虑结构几何初始缺陷程序自动计算和更新初始缺陷

比例系数：初始缺陷最大值/屈