摘 要

拱脚结构是钢管混凝土拱桥的关键部位，为拱肋与拱座的相接部位，由外包混凝土及拱肋组成。本文所研究的岱山江南大桥采用中承式钢管混凝土桁架拱桥，2014年的外观检查中发现拱脚处存在多处裂缝，部分裂缝贯通断面。为了对拱脚裂缝成因进行分析，了解拱脚结构的应力分布特征,因此本文将对拱脚结构建立受力模型并进行细部分析。

本文将利用圣维南原理确定拱脚部位的截取范围和等效荷载的施加方法，在运用 MIDAS CIVIL 有限元软件进行全桥整体分析的基础下求出成桥荷载工况下拱肋截断面的内力值作为外荷载，然后根据工程结构的基本资料建立了拱脚部位的简化局部有限元模型。其中在ANSYS有限元建模过程中,分别采用了SOLID65实体单元和SHELL63壳单元来模拟钢管混凝土结构的混凝土和钢管两种不同性能的材料。最后将求出的内力值通过刚性平面的主节点施加到拱脚局部模型，进行拱脚局部有限元应力分析，得出以下主要结论：拱脚外包混凝土整体应力水平较低，除存在应力集中的局部区域外，结构主体混凝土主拉应力都小于混凝土抗拉强度设计值；主拱肋与拱肋连接处、拱座与拱肋相接处等发生应力集中，是实时健康监测的重要部位。

关键词：中承式钢管混凝土桁架拱桥；拱脚局部有限元分析；圣维南原理；刚性平面

Abstract

Arch foot structure is the key part of concrete-filled steel tube arch bridge and the following parts of the arch rib and abutment, then it is composed of the outsourcing of concrete and arch rib. In this paper, the author studies on daishan jiangnan bridge using the half through bridge concrete filled steel tubular truss arch bridge ，the appearance of the examination in 2014 in several cracks were found in the arch foot, some cracks through cross section. In order to analyze the arch foot fracture and understand the characteristics of stress distribution of arch foot structure, so this article will be on the arch foot structure mechanical model is set up and carry on detailed analysis.

This article will use the saint venant principle determine the scope of the arch foot part of interception and the method of equivalent load ，in the finite element software MIDAS CIVIL calculated under the basis of overall analysis of the whole bridge into the bridge load conditions on the surface of the arch rib truncation internal force value as external load ，then according to the basic information of engineering structure sets up a local finite element model of arch foot position , which in the process of ANSYS finite element modeling, respectively adopted SOLID65 entity unit and SHELL63 shell element to simulate the concrete filled steel tube structure of concrete and steel pipe performance of two different materials, to find out the internal force values of rigid plane through the local model applying to the master node of the arch foot, local finite element stress analysis for the arch foot, the following main conclusions: outsourcing concrete arch feet overall stress level is low, in addition to the existing local area of stress concentration, main principal tensile stress of concrete structure are less than concrete tensile strength design value, the main arch rib and arch rib joint, abutment and arch rib place such as stress concentration, is one of the important parts of real-time health monitoring.

Key Words：Half through bridge concrete filled steel tubular truss arch bridge；The arch foot local finite element analysis ；The saint venant principle ；Rigid plane

目 录

第1章 绪论 1

1.1钢管混凝土拱桥的特点和应用 1

1.2钢管混凝土拱桥的发展与研究概况 2

1.3本文研究的主要内容 3

2.1有限元分析软件简介 4

2.2江南大桥基本资料 4

2.3江南大桥整体杆系模型 8

2.3.1江南大桥整体模型的基本假设与简化 9

2.3.2江南大桥整体杆系模型的建立 9

2.4拱脚模型的建立 10

2.4.1模型计算假定与基本假定 10

2.4.2采用的单元类型 11

2.4.3模型的建立 12

2.5章节总结 20

第3章 江南大桥拱脚局部承载性能分析 21

3.1结构位移 21

3.2结构材料的力学性能 23

3.3混凝土结构应力分析 24

3.4钢拱肋应力分析 30

3.5本章小结 34

第4章 结论与展望 35

4.1主要结论 35

4.2展望 36

参考文献 37

致谢 39

第1章 绪论

1.1钢管混凝土拱桥的特点和应用

1、钢拱桥的特点和应用

拱桥是一种应用广泛的桥梁结构形式。相比于梁桥，拱桥不仅造型美观，跨越能力和承载能力也比较大。由结构力学基本理论可得，两者受力性能有较大的差别：梁结构在自重恒载作用下，端承处仅产生竖直反力，而拱结构在自重恒载作用下，两端支座除了有竖直反力外，还将产生水平推力。由于水平反力作用使得拱内产生轴向压力，从而大大减小了拱肋的截面弯矩，使之成为小偏心受压构件，截面上的应力分布相对于梁截面较为均匀。拱桥受压为主的力学性质使大量抗拉性能差而抗压性能较好的砌体材料（石料、混凝土、砖等）在拱桥的建造中得到应用。

一般桥梁理论^[1]认为：结构在荷载作用下，传力途径越短，结构越合理。一般来说，拉压构件比受弯构件传力路径短很多，应力分布相对均匀，因而传力更直接。由上述理论可知，拱桥在各种桥梁结构形式中具有很大的优势。根据拱桥具有很强的抗压承载性能和较均匀的压应力分布的力学性质，在实际工程中可选择合理的拱桥拱轴曲线方程使拱桥能充分发挥抗压强度高的优势，使得拱桥受力分布合理。

相对于钢筋混凝土拱桥的自重较大，不利于施工的缺点，而钢管混凝土拱桥为拱肋钢管与钢管内核心混凝土共同承受荷载，同时也作为施工过程中的劲性骨架。钢管混凝土应用于拱桥同时解决了拱桥材料高强化和拱肋轻型化的两大困难，因此其成为拱桥的主要发展方向^[4] 。

2、钢管混凝土拱桥的基本组成

钢管混凝土拱桥一般由钢管混凝土拱肋、吊杆（或立柱）、横撑、桥面系和下部构造组成。根据桥面的位置，钢管混凝土拱桥主要有上承式拱桥、中承式拱桥、下承式拱桥三种基本桥梁结构^[3] 。

图1.1 上承式、中承式、下承式钢管混凝土拱桥

对于上承式钢管混凝土拱桥通常为推力式拱桥，一般只适合于在地基承载能力高的地质，整个桥面系位于抗压强度高的立柱上，其整体稳定性和抗冲击性能良好。下承式钢管混凝土拱桥主要可以分为有支座的组合体系拱桥（系杆拱）和无支座的刚架系杆拱。中承式钢管混凝土拱桥主要有两种：推力式拱桥和无推力式拱桥，在一般桥梁工程中使用最多的为推力式拱桥^[9,10]。

拱脚部位作为钢管混凝土拱桥的结构关键部位，其受力特征对桥梁的承载能力和跨越能力产生重要影响。拱肋、系梁、拱座和外包混凝土等构件在此相交，且局部加强构件（如钢筋网）比较多，使得拱脚结构构造复杂、形状不规则，容易发生局部应力集中，从而产生裂缝对结构极其不利。因此其应力分布机制对实时健康监测的方案和结构性维修措施极其重要。

1.2钢管混凝土拱桥的发展与研究概况

由于钢管混凝土拱桥自重轻、造型美观、承载能力强和易于维护的优势使得钢管混凝土在我国桥梁建设中得到广泛的使用。至目前为止，我国跨径大于100m的拱桥中近一半是推力式中承式钢管混凝土拱桥^[2]。钢管混凝土拱桥的快速发展使得对其结构的应力和位移的分布特性的研究也越来越多。

从大量的桥梁工程的实时健康监测报告中可以看出，经常在其局部的关键处最先开始出现裂缝并最终导致整体结构的破坏或失效。而本文所研究的江南大桥，在2014年的外观检查中发现拱脚处存在多处裂缝，部分裂缝贯通断面。拱脚作为桥梁结构的关键部位，对整体结构的承载力起到重要作用。虽然常规的定期检查结果可获得桥梁当前的状态信息，并给出运营状态的评估，但并不能有效保证大桥在检查后的运营安全状态。上述事故告诉我们对结构的关键部位建立受力模型并进行应力分析至关重要。而拱脚结构受力复杂，为安全起见，需要对桥梁关键部位拱脚部位的局部应力分布机制进行重点分析。目前，对钢管混凝土桥拱脚部位的局部应力研究主要包括有限元数值仿真计算方法和相关试验方法。从相关文献可以看出采用有限元分析方法，即使用软件ANSYS建立拱脚结构细部有限元受力模型，分析计算钢管混凝土拱桥拱脚构件应力的分布规律，在有实验基础下进行相关试验验证其计算结果的基本方法为现在桥梁结构关键部位拱脚局部实体有限元分析的主要研究方法^[15~17]。如陈金龙在文献^[18]中建立了钢管混凝土拱桥拱肋与预应力混凝土系梁连接部位的有限元空间力学模型，并模拟了关键部位在各种工况最不利荷载作用下的应力分布机制。

1.3本文研究的主要内容

江南大桥作为连接岱山岛和江南岛的交通枢纽工程，其结构重要性可想而知，有必要对其进行实时的结构监测，掌握大桥的实时结构信息，发现并预警结构性破坏的出现与发展，为大桥管养部门提供养护和加固技术的建议。在2014年的外观检查中发现拱脚处存在多处裂缝，部分裂缝贯通断面。为对拱脚裂缝成因进行分析，本文将以实际工程为背景,参考国内外相关文献，简要介绍结构关键部位的有限元分析软件和建模思路，利用杆系结构有限元分析软件Midas/Civil建立江南大桥全桥整体杆系计算模型，计算求解出全桥结构在成桥最不利荷载作用下的内力分布情况，在全桥内力图中提取出拱脚结构拱肋截断单元的内力值作为拱脚结构有限元计算模型的外荷载，最后使用大型通用有限元分析软件ANSYS建立拱脚结构有限元分析模型，求解并系统分析拱脚重点部位的位移和应力状态，为实时健康监测系统的传感器布设及监测结果的分析评估提供一定的依据和建议。 

第2章 江南大桥拱脚局部实体有限元模型的建立

为了有效而准确分析江南大桥在检查后的运营安全状态，本文将对江南大桥拱脚结构建立局部有限元计算模型，其中将对江南大桥拱脚结构有限元模型进行合理的简化及采用一些理论上的基本假设 。

2.1有限元分析软件简介

ANSYS是一款融合结构、流体、电磁场、声场和热场分析于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛应用于土木工程、航空航天、汽车工业、生物医学、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等工程的计算分析和科学研究。对于桥梁细部有限元分析主要为结构分析，ANSYS分析过程包含3个主要步骤，具体步骤为：

1、前处理（创建实体模型及有限元模型）

(1)根据工程结构的特点，建立简化分析模型，对实体模型进行合理的网格划分，建立有限元模型；

(2)根据工程结构的材料类型和几何特性定义材料参数和实常数；

(3)模拟工程结构的边界条件；

(4)施加工程结构的荷载工况作用下的相关截面的内力值。

2、求解计算

(1)形成单元的刚度矩阵与等效结点载荷列阵；