大跨度多肢钢管混凝土拱桥主拱构造优化研究.doc

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1、分类号 U448.22 单位代码 10618 密 级 学 号 106260127 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 论文题目： 大跨度多肢钢管混凝土拱桥 主拱构造优化研究 Study on Arch Structure Optimization of Long-span CFST Arch Bridge 研究生姓名： 黄泽权 导师姓名、职称： 周水兴 教授、博士 申请学位门类： 工 学 专 业 名 称： 桥梁与隧道工程 论文答辩日期： 2009 年 4 月 11 日 学位授予单位： 重 庆 交 通 大 学 答辩委员会主席： 陈山林 教授 评阅人： 陈山林 教授 张 敏 副教授 2009 年

2、4 月 重重庆庆交交通通大大学学学学位位论论文文原原创创性性声声明明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 重重庆庆交交通通大大学学学学位位论论文文版版权权使使用用授授权权书书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅

3、和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论 文全文数据库 ，并进行信息服务（包括但不限于汇编、复制、发行、信息网 络传播等） ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊（光盘版）电子杂志社 CNKI 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期

4、： 年 月 日 日期： 年 月 日 摘摘 要要 钢管混凝土拱桥因其较好的解决拱桥吊装重量和跨度的矛盾，是近二十年来 发展最为迅速的桥梁结构之一，至 2005 年，国内已建成跨度为 460m 的钢管混凝 土拱桥，而且跨度和数量仍在不断增大之中。我国在钢管混凝土拱桥的修筑技术 上已处于世界领先水平，但是，传统设计方法追求的是一个满足设计规范条件下 的最低水平设计，而不是最优设计，特别是多肢桁式拱肋的设计，如果按照设计 规范条件下的最低水平设计，可能会使拱肋自重增加很多，这样既不经济又给施 工带来不便。 本文结合在建的小河特大桥（主拱肋为净跨 338m 的六肢上承式钢管混凝土 拱桥）开展以下研究工作

5、： 1. 根据满应力优化设计理论，建立钢管混凝土拱桥截面优化目标函数及约束 条件； 2. 利用强大的有限程序 ANSYS 建立小河特大桥拱肋截面优化模型主拱肋进 行截面优化，得出相应的最优拱肋截面； 3. 建立最优拱轴线的数学模型，计算出特定荷载下拱圈上的各个离散点接近 于压力线的坐标； 4根据拱脚、1/8、1/4、3/8 处的压力线坐标利用三次样条插值函数进行曲 线拟合得出拱轴线分段函数，利用分段插值函数进行分析比较； 5 利用有限元程序 ANSYS 对优化前后模型进行强度、刚度、稳定性进行分 析比较。 关键词：钢管混凝土拱桥；优化设计；满应力法；主拱构造；数学模型；插值函 数 ABSTRA

6、CT Because the contradiction between hoisting weight and span of concrete filled steel tube (CFST) arch bridges was comparatively resolved， CFST arch bridges have become one of most rapid development bridge structures in last twenty years. To 2005， a CFST arch bridge with a span of 460 meters has be

7、en built. Furthermore， the span and amount of this type of bridge are still increasing. The building technology of CFST arch bridge in our country is at world lead level， however， the traditional design pursues the lowest lever rather than the best at the premiseof meetting standard. Especial for th

8、e design of more-limb-turss type arch rib， if we accord to the lowest lever， there will be not only a great wast of economy but also inconvenience in construction. The passage carry out research work based on under-construction Small River grand bridge (a six limbs deck arch bridge， clear span of 33

9、8m) 1. Based on full stress optimize design theory， it set up the optimized objective function and constraints of CFST arch bridge cross-section; 2. By using powerful finite element program， ANSYS， it set up Small Rive grand bridge arch cross-section optimization model to optimize the main arch， dra

10、w the corresponding optimal arch cross-section; 3. Set up the optimal mathematical model of arch axis， calculated coordinate of all discrete point under the arch line closer to the coordinates of stress on a particular load; 4. According to coordinates of Under the foot arch， 1/8， 1/4， 3/8 ， use of

11、the stress line cubic spline interpolation curve fitting function to draw sub-arch axis function， and use piecewise interpolation function to make comparative analysis; 5. Use of ANSYS finite element program to compare strength， stiffness， stability before and after the model of optimization. KEYWOR

12、DS：CFST arch bridge; Optimization design; Full stress; Arch structure; Maths model; Interpolation function 目目 录录 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 1.1国内外钢管混凝土拱桥现状与发展概况.1 1.1.1国内钢管混凝土拱桥发展概况1 1.1.2国外钢管混凝土拱桥发展概况5 1.2钢管混凝土拱桥构造.5 1.2.1钢管混凝土拱桥划分5 1.2.2钢管混凝土拱桥构造特点7 1.3结构优化设计现状与发展.9 1.3.1目前结构设计特点9 1.3.2结构优化设计现状及发展11 1.3.3钢管

13、混凝土拱桥优化设计现状14 1.4本文研究的主要内容.15 1.4.1目前钢管混凝土拱桥优化研究中存在的主要问题15 1.4.2课题来源及研究意义15 1.4.3本文的主要工作15 第二章第二章 桥梁结构优化设计理论桥梁结构优化设计理论 1717 2.1概述.17 2.2结构优化设计的数学模型.18 2.2.1设计变量18 2.2.2目标函数18 2.2.3约束条件19 2.3满应力法优化设计.20 2.3.1满应力优化设计的数学模型20 2.3.2满应力设计的收敛性22 2.3.3射线步调整22 2.4有限单元法基本原理.23 2.5ANSYS 优化理论基础.25 2.5.1基于 ANSYS

14、 进行优化设计的过程.26 2.5.2零阶优化法27 2.5.3一阶优化法30 2.6本章小结.33 第三章第三章 钢管混凝土拱桥优化设计钢管混凝土拱桥优化设计 3434 3.1概述.34 3.2钢管混凝土拱桥拱肋截面形式优化分析.34 3.2.1目前国内大跨度钢管混凝土拱桥常用拱肋截面形式34 3.2.2钢管混凝土拱桥拱肋截面优化方法35 3.3钢管混凝土拱桥拱轴线优化分析.38 3.3.1拱轴线的几种优化方法38 3.3.2用三次样条插值函数确定合理拱轴线的方法39 3.4本章小结.42 第四章第四章 小河特大桥结构优化分析小河特大桥结构优化分析 4343 4.1工程概况.43 4.2主拱

15、截面优化分析.44 4.2.1小河特大桥原设计主拱截面形式44 4.2.2小河特大桥主拱截面优化45 4.3拱轴线优化分析.49 4.3.1小河特大桥原设计拱肋模型49 4.3.2小河特大桥拱轴线优化50 4.3.3优化前后拱轴线对比52 4.4优化前后主拱构造强度、刚度、稳定性分析比较.53 4.4.1主拱圈管内混凝土灌注阶段受力分析比较53 4.4.2优化前后拱肋变形分析比较55 4.4.3成桥状态稳定性分析56 4.4.4成桥状态基频分析58 4.5本章小结.60 第五章第五章 结论与展望结论与展望 6161 5.1本文取得的主要成果.61 5.2存在的问题及今后工作展望.61 致致 谢

16、谢 6262 参考文献参考文献 6363 在学期间发表的论著及取得的科研成果在学期间发表的论著及取得的科研成果 6767 第一章 绪 论 1 第一章 绪 论 1.1国内外钢管混凝土拱桥现状与发展概况 1.1.1国内钢管混凝土拱桥发展概况 拱桥是桥梁的基本桥型之一。在地质条件良好、地形合适的山谷、海峡建造 大跨度拱桥不但雄伟壮观，而且经济合理、抗风性能好。无论是国内还是国外， 拱桥常常因经济、美观和刚度较大的优点而中选1。 中国是拱桥的故乡，公元 606 年建成的河北赵州桥2-3，目前仍在使用；是 世界上首座敞肩式石拱桥，其精湛的造桥工艺、精美的艺术造型极大地显示了中 华民族的聪明才智。解放后，

17、又因地制宜地建造了许多石拱桥，20世纪60年代诞 生的双曲拱桥，因解决了当时吊装能力低、钢材水泥紧张问题而得到广泛修建， 期间建造的双曲拱桥约占同期所建全部桥梁的80%，同时也形成了较为完善的无 支架吊装技术和拱桥设计计算理论，为后来大跨度钢筋混凝土箱形拱桥建设提供 了技术支持；80年代，又提出了转体施工法建设拱桥，并将跨度推进到200m。然 而，随着拱桥跨度的不断增大，施工问题日显突出，不断增大的结构自重使传统 无支架吊装系统面临诸多问题：过多的划分拱肋节段，虽然减轻重量，却无法满 足拱轴线形的要求；减小节段数量，但起吊重量太大，吊装系统难以承受，形成 了跨度与吊装重量的突出矛盾，限制了大跨

18、度拱桥的进一步发展。 钢管混凝土作为钢混凝土组合材料的一种，一方面借助内填混凝土提高钢 管壁受压时的稳定性，提高钢管的抗腐蚀性和耐久性，另一方面借助管壁对混凝 土的套箍作用，提高了混凝土的抗压强度和延性将钢材和混凝土有机组合起来； 在施工方面，钢管混凝土可利用空心钢管作为劲性骨架甚至模板，施工吊装重量 轻，进度快，施工用钢量省。由于在材料和施工方法上的优越性，将这种结构用 于以受力为主的拱桥是十分合理的。钢管混凝土具有自重轻、强度大、抗变形能 力强等突出优点，较好的解决了拱桥跨度和施工的两大技术难题4-5，是迄今为止 大跨度拱桥比较理想的结构型式。与传统钢筋混凝土拱桥相比，钢管混凝土拱桥 的拱

19、肋吊装重量轻，采用预应力钢绞线千斤顶斜拉扣挂法张拉和固定拱肋，具有 弹性模量大、变形小、易于调整拱肋线形等优点，拱肋节段数可由普通钢筋混凝 土拱桥最多不超过7段变成10多段甚至更多，使钢管混凝土拱桥向大跨度方向发 第一章 绪 论 2 展成为了可能。此外，斜拉扣索在管内混凝土灌注过程中起调整混凝土应力的作 用。不仅如此，钢管混凝土拱桥还有很多优点：钢管本身就是耐侧压的模板，适 应先进的泵送混凝土工艺；施工快捷，钢管混凝土拱桥的上、下部结构可同时施 工，管内混凝土灌注一般只需一个多月，一旦形成钢管混凝土拱桥，即可开始行 车道系和附属设施施工，工期短，投资见效快。钢管混凝土拱桥的上述优点使得 其一经

20、出现便受到结构工程师们的青睐6。 国内钢管混凝土在桥梁工程中开始得到研究和应用是在 20 世纪 80 年代。 1990 年 10 月建成首座钢管混凝土拱桥四川省旺苍县东河大桥，跨度 115m， 拱肋由上下 2 根钢管 280010mm 组成哑铃形截面，内灌 C30 混凝土，Q235 钢 材。此后，在 10 余年时间内，钢管混凝土拱桥如雨后春笋，在全国各地兴建， 已建和在建的超过 200 余座。如 1995 年竣工的广东省南海三山西大桥，为中承 式拱桥，L=200m，两端各带 1 个 45m 的上承式半拱，主跨拱肋由 4 根 0.75m 的钢管混凝土组成 1.83.5m 的四边形组合截面，用预应

21、力钢绞线作为系杆，平衡 主拱与边跨的不平衡推力，开创了在软土地基建造大跨度拱桥的先例。1993 年竣 工的浙江省新安江望江大桥，为 3 跨中承式钢管混凝土拱桥，主跨 L=120m，主 跨拱肋为 2900(1216)mm 钢管混凝土组成哑铃形截面，截面高 2m，Q345 钢， 内灌 C40 混凝土，首次采用钢管变厚度的办法来减小主跨拱脚处的水平推力，并 利用边跨来平衡此推力。1996 年建成的长江三峡工程 3 座公路拱桥黄柏河大 桥、下牢溪大桥和莲沱大桥，跨度分别为 160m、160m 和 114m，它们是属于多 拱肋上承式拱桥，每片拱肋皆采用 2 个钢管混凝土组成的哑铃形截面。2000 年建

22、成的广州丫髻沙大桥(图 1.1)，主跨达 360m，该桥首次选用 6 管式拱肋截面，每 肋由 6750mm 钢管混凝土组成，由横向平联板、腹杆连接成为钢管混凝土桁架， 其中内侧、外侧钢管为 75018mm，中间钢管 75020mm，钢管间的横向平联 板总厚 500mm，内、中、外 3 根钢管通过平联板形成能共同受力的类似肋板式的 结构，上下排钢管间通过 45012mm 及 35110mm 的腹杆组成稳定的空间结 构，沿拱轴采用变高等宽截面。相继建成的还有武汉江汉三桥(主跨 280m)、广西 三岸邕江大桥(主跨 270m)等多座大跨钢管混凝土拱桥7。2005 年 1 月建成通车的 巫山长江大桥(

23、图 1.2)净跨为 460m 的钢管混凝土中承式拱桥，拱肋拱顶截面 高 7m，拱脚截面高 14m，肋宽 4.14m，每肋上下各 2 根 1 22022(25)mm、内填 C60 混凝土，钢管混凝土上弦杆，下弦杆通过横联钢管 71116mm 和竖联钢管 61012mm 连接而构成钢管混凝土桁架；巫山长江大桥在建设中创造了当时桥梁 第一章 绪 论 3 图1.3 浙江钱塘四桥 Fig.1.3 Fourth QianTang bridge in ZheJiang 建设的 5 项世界第一，巫山大桥属中承式钢管拱桥，主跨跨径492 米，居同 类型桥梁世界第一；大桥创下组合跨径、每节段绳索吊装重量、吊塔距离

24、、拱 圈管道直径和吊装高度 5 个世界第一，该桥已被列为世界百座名桥。巫山大桥 在同类型钢管拱肋吊装成塔的缆索吊机跨径、吊塔高度、起吊高度、吊重、微 膨胀自应力砼强度等方面有较大突破，攻克了钢管拱肋制作、吊装和管内砼压 注 3 大世界级施工技术难题，成为长江上第一座中承式钢管拱桥。 图1.1广州丫髻沙大桥 图1.2 巫山长江大桥 Fig.1.1 YaJiSha bridge in GuangZhou Fig.1.2 Yangtze River bridge in WuShan 以上介绍的均属于钢管混凝土拱桥的第1种类型钢管内填混凝土。钢管 混凝土的第2种类型钢管内填外包型。已建成的有四川内江新

25、龙坳大桥、广 西邕宁邕江大桥、江西德兴太白桥、四川盐源金河雅砻江大桥、攀枝花倮果金沙 江大桥和万县长江大桥等，其中最著名的是重庆万县长江大桥，L=420 m，上承 式拱桥，采用了10根钢管组成空间桁架(1040216mm，Q345钢材)，吊装成拱后， 向管内灌C60混凝土，然后挂模板浇筑混凝土，成为高7m、宽16.0m的单箱三室 箱形截面拱肋，桥面总宽24m。这种桥梁的缺点在于施工非常复杂，技术要求高， 需要在混凝土浇筑过程中反复调整应 力和变形，而且后期混凝土收缩徐变 产生的变形大，目前已很少采用。 据不完全统计，跨度在 200m 以上的钢管混凝土拱桥有25座(表1.1)。 值得一提的是，我

26、国在大江大河上还 出现主桥全部为钢管混凝土拱桥的桥 梁，如浙江杭州钱江四桥 第一章 绪 论 4 (285m190m585m190m285m)，该桥为双层桥面，上层通行汽车，下 层通行轻轨(图1.2)；郑州黄河公路二桥，则为8孔120m钢管混凝土拱桥(图1.3)。 表 1.1 中国200m以上钢管混凝土拱桥 Table 1.1 Over 200m span CFST bridges in China 序号桥名建成时间主跨(m)矢跨比结构型式 1重庆巫山长江大桥20054601/3.8中承式 2湖北宜昌支井河大桥施工中4301/6上承式 3湖南茅草街大桥20063661/5中承式 4广州丫髻沙(珠

27、江)大桥20003601/4.5中承式 5广西南宁永和大桥20043381/5中承式 6沪蓉西高速小河大桥施工中3381/5上承式 7浙江千岛湖南浦大桥20033081/5.5下承式 8重庆奉节梅溪河大桥20012881/5上承式 9武汉江汉三桥20012801/5下承式 10广西三岸邕江大桥19982701/5中承式 11湖北秭归青干河大桥20022561/4中承式 12浙江三门健跳大桥20012451/5中承式 13巫山新龙门大桥施工中2401/5中承式 14湖北施南里渡大桥20022401/5上承式 15武汉江汉五桥20002401/5中承式 16浙江象山铜瓦门大桥20022381/4.

28、82中承式 17贵州水柏铁路北盘江大桥20012361/4上承式 18江苏邳州京杭运河大桥20022351/4中承式 19广西六景郁江大桥19992201/5中承式 20湖北恩施南泥渡大桥20032201/5上承式 21湖北秭归龙潭河大桥20002081/5中承式 22四川眉山岷江大桥施工中206中承式 23四川绵阳涪江三桥19972021/4.5中承式 24重庆合川合阳嘉陵江大桥20022001/4中承式 25广东南海三山西大桥19952001/4.5中承式 第一章 绪 论 5 图1.4 郑州黄河二桥 Fig.1.4 Second Yellow River bridge in ZhengZh

29、ou 1.1.2国外钢管混凝土拱桥发展概况 钢管混凝土在桥梁工程中的应用已有100多年的历史。早在1879年，英国的 Severn铁路桥建设中就采用了钢管桥墩，当时在管中灌注混凝土主要用来防止内 部锈蚀并承受压力。钢管混凝土应用于拱桥结构，始于20世纪30年代末期，前苏 联著名桥梁专家Perederiy教授用钢管混凝土建造了跨越列宁格勒涅瓦河跨度101m 的拱梁组合体系8。与此同时，1939年，Rosnovskiy教授在西伯利亚也用钢管混凝 土建造了一座跨度达140m的铁路拱桥8。法国已建的凯泽莱尔桥，主跨为220m的 下承式拱桥；法国Antrenas桥，主骨架为一根1200mm壁厚32mm的

30、钢管混凝土 空间桁架组合拱，主跨56m，桥长85m宽15m。法国还有一座钢管混凝土拱桥正在 修建中，它位于Cantabrico公路上，跨越Escudo河，长229m，宽30m。其主跨为跨 径126.4m的上承式拱桥。日本的松岛桥，为126m跨径的上承式钢管混凝土拱桥； 日本青叶大桥、长崎西海二桥采用了钢管混凝土劲性骨架，跨径分别为180m和 230m。美国于1999年在芝加哥市修建了一座中承式钢管混凝土拱桥(Damen Avenue Arch)，主跨74m，桥长94m，桥宽21.9m，拱肋采用直径为1.2m的钢管、 壁厚25mm，拱肋间不设横撑6。总的来说，国外修建钢管混凝土拱桥的跨径较小，

31、数量也不多，相关报道较少。 1.2钢管混凝土拱桥构造 1.2.1钢管混凝土拱桥划分 钢管混凝土拱桥的划分方法很多，主要有以下几种划分形式8-9： 按照路面车承形式划分，有上承式、中承式和下承式，如图 1.410； 按照主拱圈线形划分，有抛物线拱桥和悬链线拱桥； 第一章 绪 论 6 按照有无水平推力划分，无推力拱桥和有推力拱桥； 按照钢管在结构使用阶段和施工阶段中所起的主要作用划分，有钢管混凝 土拱桥和钢管混凝土劲性骨架拱桥； 按照拱肋截面形式划分，有单管、哑铃型、三肢、四肢、多肢等 下承式系杆拱桥上承式无铰拱桥 中承式无铰拱桥中承式系杆拱桥（飞鸟式） 图 1.4 钢管混凝土拱桥车承形式类型 F

32、ig.1.4 Form of CFST bridges categries 钢管混凝土下承式系杆拱桥以其设计造型美观、建筑高度低、跨越能力大、 施工材料少等优点得到迅速发展和应用。下承式拱桥通常做成系杆拱，即在拱脚 处用一称为系杆的纵向水平受拉杆件将两拱脚连接起来。此时作用于支座上的水 平推力就由系杆来承受，支座不再承受水平方向的力或承受很少的水平推力。这 样做可以减轻地基承受的荷载，降低了对地基和下部结构的要求，特别适用于地 质状况不良时，使拱桥的应用从山区扩大到了平原和城市。下承式拱桥主要用在 建筑高度受限制、通航要求高和地基条件较差的情况下。在平原地区和跨线桥中 应用较多，而且近年来在城

33、市桥梁中运用也较广泛。 钢管混凝土中承式拱桥是一种结构设计新颖、线型协调匀称，具有轻巧美观、 施工简洁等优点的新桥型。在近年来应用的有中承式系杆拱桥（飞鸟式）和中承 式无铰拱桥两种，其中中承式系杆拱桥（飞鸟式） ，作用于支座上的水平推力由 系杆来承担，大大减小了对支座的作用力，从而减轻了地基承受的水平荷载，适 用于地质状况不良时中承式无铰拱桥由于没有系杆的作用，对支座作用比较大， 只适用于地基承载力较大的情况下。中承式拱桥在峡谷地区、跨江桥及城市桥梁 中运用较多。 第一章 绪 论 7 钢管混凝土上承式无铰拱桥是一种极具美学价值的桥梁形式，优美的弧线， 表现出与环境的协调性。上承式拱桥在我国具有

34、深厚的文化基础，钢管混凝土结 构的应用，使拱桥更加轻巧，表现力也更强。而且钢管混凝土拱桥也极具现代化 气息，是古典与现代的结合。原来仅供人、兽行走的拱桥可以把桥面直接铺在拱 肋上。而通行现代交通工具的拱桥，桥面必须保持一定的平直度，不能直接铺在 曲线形的拱肋上，因此要通过立柱或吊杆将桥面间接支承在拱肋上。由于无铰拱 桥的支座不但要承受竖直方向的力，还要承受水平方向的力，因此拱桥对基础与 地基的要求比系杆拱桥要高，当地质条件较差时一般不采用。 拱桥是一种极具美学价值的桥梁结构形式，在我国具有深厚的文化基础，钢 管混凝土结构的应用，使拱桥更加轻巧，表现力更强，中承式、下承式等形式在 城市桥梁中得到

35、青睐，已建和在建的钢管混凝土拱桥有一半左右是城市桥梁。 1.2.2钢管混凝土拱桥构造特点 钢管混凝土(Concrete Filled Steel Tube，简称 CFST)在本质上也就是由钢管对 混凝土进行套箍强化的一种套箍混凝土。混凝土受到钢管的横向约束而处于三向 受压状态，具有更高的抗压强度和变形能力，由于钢管壁的厚度较薄，在受压状 态下容易局部失稳，在其中填充了混凝土后，则显著增加了钢管的稳定性，其承 载力也得到充分发挥。按照截面形式的不同，钢管混凝土分为：方钢管混凝土、 圆形钢管混凝土和多边形钢管混凝土。在实际工程中，广泛应用的是圆钢管混凝 土，且钢管内只灌浇素混凝土，不再配置钢筋。

36、钢管混凝土通过钢管和混凝土两种材料的组合，利用在受力过程中产生的紧 箍力效应，提高了内填混凝土的抗压强度和弹性模量，混凝土的支撑作用又提高 了钢管壁的稳定性，从而充分发挥了两种材料各自的优点，弥补了各自的弱点， 使钢管混凝土具有明显超越各自材料的优点，具体表现在11-14： 承载力高。在钢管中灌浇混凝土形成钢管混凝土后，混凝土增强钢管壁的 稳定性，改变了空钢管的失稳模态，而钢管对核心混凝土的套箍约束作用，延缓 了混凝土受压时的纵向开裂，钢管混凝土的承载力得到很大提高。分析证明，钢 管混凝土受压构件的强度承载力可以达到钢管和混凝土单独承载力之和的 1.72.0 倍。 具有良好的塑性和韧性。单向受

37、压的混凝土属于脆性破坏，但在管内的核 心混凝土受到钢管的约束，能有效的克服混凝土特别是高强混凝土的脆性，不但 扩大了弹性工作阶段，而且破坏时产生很大的塑性变形，从而使钢管混凝土具有 第一章 绪 论 8 良好的抗震性能。 质量可靠、施工方便。由于钢管可以在工厂内加工，大量的焊接工作交由 地面完成，空中组拼钢管只需对极少数接头进行焊接，因此施工质量容易得到保 证。空钢管重量轻，便于运输和吊装，同时，钢管具有较大的刚度和强度，钢管 组拼后可以直接作为施工的劲性骨架，钢管本身又可以作为耐侧压的模板，直接 泵送混凝土灌注，省去了一般混凝土施工需要支模、拆模的工序，劳动效率高。 耐火性好。由于钢管内填的混

38、凝土热容量可变大，能吸收大量热能，当发 生火灾时，与空钢管相比，它的软化温度得到极大地提高，增加了钢管混凝土的 耐火时间，并且可以节省大量耐火涂料。 经济性好。大量的科学研究和工程实践表明，钢管混凝土与钢结构相比， 在保持自重相近和承载能力相同的条件下，可节省钢材约 50；与普通混凝土 柱相比，在保持钢材用量相近和承载能力相同的条件下，构件的横截面面积可减 小约 50。 由于大跨径钢管混凝土拱桥具有上述一系列的优点，较好地解决了大跨径拱 桥经济、省料、安装方便、后期承载力高的问题，在修建大跨径桥梁时越来越多 地被采用。 与所有材料一样，钢管混凝土材料也有它自身的缺点。对于管壁外露的钢管 混凝土

39、，在阳光照射下，钢管膨胀，容易造成钢管与内填混凝土之间出现脱空现 象泵送管内混凝土也常出现不能完全饱满的情况，这都将引起拱圈受力不够明确， 从而降低钢管混凝土结构的安全度，这些问题都需要予以解决。 结合钢管混凝土以及拱桥的特点，钢管混凝土拱桥有以下几个特征15： 拱桥面内振动的自振基频较面外大，但很接近。表明结构的面外的刚度已 接近面内的刚度，从而反映其在横向有足够的安全度。但分析表明，横向刚度还 是满足要求，在动荷载作用下，横向发生较大变形，但产生的应变和应力小。 钢管混凝土拱桥属于较柔性的结构，当跨度加大时，构造上要采取相应的 措施，同时在动力分析中要考虑高阶振型的影响。 人体在桥上时，一

40、般不会感到明显的振动，从而可以保证桥梁运营时的舒 适度。 与其他类型拱桥相比，钢管混凝土拱桥又有以下几个优点5，7，16-17： 跨度适应能力强。实践证明，钢管混凝土拱桥在 100-400m 以内具有很强 的适应性和竞争力。钢管混凝土拱桥出现以前，主要是斜拉桥、连续刚构桥、预 第一章 绪 论 9 应力混凝土连续梁桥和钢筋混凝土拱桥，钢拱桥因受到当时国内钢产量和防护技 术限制很少建造。斜拉桥、连续刚构桥和预应力混凝土连续梁桥工程造价高，上 下部结构不能同时施工，建设工期长；普通钢筋混凝土拱桥在跨度超过 130m 后， 因吊装重量、节段数过多(超过 7 段)、拱轴线型控制差等原因而受到限制； 承载

41、能力大，施工快捷。钢管混凝土利用内填混凝土增强管壁的稳定性， 又利用钢管对核心混凝土的套箍作用，使钢管混凝土的优越性能得到充分发挥， 具有很高的抗压强度和抗变形能力，非常适合以偏心受压为主的拱桥。施工时， 钢管充当很好的模板，无需额外的脚手架和模板，又起到劲性骨架的作用。另一 方面，桥梁基坑开挖、基础与混凝土浇筑、钢管加工、吊杆制作、横梁和桥面板 预制可同时进行，模块化程度高，节省了施工工期，与同等跨径的其他体系桥梁 相比，可节省工期 30%以上； 地基适应性好。普通钢筋混凝土拱桥水平推力大，对桥址的地质要求高， 限制了应用范围。钢管混凝土拱桥可根据不同的地质条件和桥位断面，设计成有 推力的拱

42、桥(上承式和中承式拱)，也可设计成无推力的系杆拱桥(下承式或带半跨 边孔的飞雁式组合拱)； 造型优美。优秀的桥梁建筑，除具备应有的结构功能外，还应是一个雅 俗共赏的建筑艺术品，成为一个城市或地区的标志(象征)，如举世闻名的美国旧 金山大桥、悉尼港的钢拱桥。钢管混凝土拱桥犹如一道靓丽的彩虹横跨大江两岸， 配合恰当的灯光设计，令人赏心悦目； 有较成熟的施工技术作支撑。中国是建造拱桥最多的国家，经过长期的 探索，已掌握了成套的施工技术，如无支架缆索吊装法，转体施工法，前者配合 千斤顶高强钢绞线做扣索，具有索力调整方便、拱轴线型控制精度高的优点，完 全解除了只适用于 7 段以内的限制，能用于多节段拱肋

43、吊装；后者的平转和竖 转技术也已相当谙熟，已成功地用于多座钢管混凝土拱桥的安装； 较好地解决大跨度拱桥施工问题。随着拱桥跨径的不断增大，如何减轻 拱桥结构自重、改进施工方法和高强混凝土的开发使用，就成为拱桥建设的重要 问题。 1.3结构优化设计现状与发展 1.3.1目前结构设计特点 实际结构问题往往是十分复杂的，涉及诸如环境、荷载、几何特性、材料、 第一章 绪 论 10 施工、费用等多种因素，且受客观条件的制约，因此在对其实施优化时，必须抓 住问题的主要方面和主要矛盾，删繁就简进行抽象来形成数学模型。 工程设计者与数学工作者的优化观念存在差异。数学工作者所做的大量工作 是发展算法，从已有的数学

44、解出发寻找适合模型的工程问题，是一种“解寻求模 型”(Solution-seek-mondel)的方式。但对于工程设计者而言，数学优化仅是从结 构问题到最优化设计过程中的一个手段，因此工程优化应是从现实中真实问题开 始，寻找能应用的最优设计，是一种“问题寻求设计”(Problem-seek-design)的方 式18。 工程设计者所关心的是设计效果是否安全、可靠与经济，往往寻求满足解而 不一定是精确最优解19。满意解不同于一般所讲的所谓最优化问题的解，后者通 常是按照给定标准，在某些约束条件下，取得最优的解集，这种方法数学上较严 谨，因而也较繁，不易推广，而且对于一个复杂的系统来说，寻求精确的

45、，甚至 是近似的最优解都是很难的，有时根本做不到。而满意解的做法则是从整体着眼， 用软科学的方法，并不追求极值，如同打吧一样，并不要求打到靶心，只求能打 到靶心的周围，而它的繁难度比起极值的方法要简单得多，它所得到的结果，也 不是用传统的方法所能达到的。满意解的概念最早由诺贝尔奖获得者 H.A.Simon 提出，它的出现是最优理论的一个重要发展，在实践意义上具有十分重要的意义。 优化设计还是一种综合，它要综合各方面的因素、要求和约束，以产生一个 尽可能理想和满意的设计方案，显然其复杂和困难程度要比单因素分析大的多。 在结构优化问题中，人们寻求的不仅仅是工程造价或成本小（包括材料、制造与 安装等

46、） ，还希望结构工作状态（包括结构变形、应力水平、整体与局部稳定性、 动力特性）良好，要求结构具有较高的安全与可靠性，也就是说优化的目标往往 不是一个而是多个20。 综合来说，传统的结构优化设计方法存在以下几个方面的不足和局限性21-22： 传统的结构优化主要是针对单个构件(或截面)进行的。实际上，各个构件 独立优化后拼凑而成的结构体系并不一定优化。原因有二：1）将一个结构体系 各个构件分别处理，就割裂了体系各个构件之间的横向约束，优化对象就不再是 原来的“体系”，而是一些独立的构件，从而改变了原有体系的性质；2）结构体系 总体的利益有时要求某些部分做出牺牲，如果各部分单独优化，就不可能考虑和

47、 第一章 绪 论 11 协调体系整体的要求。 传统的结构优化设计主要是对结构进行最小造价(或最小尺寸，最小重量 等)设计，而忽视了长远效益的考虑，因而安全与经济指标均不明确，更无法达到 安全与经济之间的协调。 传统的优化设计中，设计向量、目标函数和约束函数均为确定性的(称为 确定性优化设计)。然而，实际的工程结构设计中存在着大量的不确定性因素，如 随机性、模糊性和未确知性等，在考虑各种不确定性因素之后，结构优化的目标 函数和约束条件将由硬变软，从而得到的不再是唯一的一个“最优解”，而是一 组“满意解”系列(称为不确定性优化设计)。 1.3.2结构优化设计现状及发展 在可查阅的文献中，结构优化的

48、思想最早可追溯到 1854 年由 Maxwell24建 立的最佳结构设计的布局理论，其后于 1904 年由 Michell25完成了该理论的概念 扩充和首次应用。但由于该理论对结构几何不加任何有实际意义的限制，因而得 到的解是无实际意义的。所以 Cox26和 Hemp27又重新考虑了布局理论，后来有 很多的研究者也进一步发展了相关的概念。20 世纪 40 年代提出的同时破坏方式 理论假定，认为整个结构破坏时每个元件都达到强度极限就是最佳结构，但这里 的同时是指单工况的情况，这些工作可见 Shanley28和 Gerard29等人的著作。这 种理论借助的是经典的函数极小化的概念，只能处理一些简单结构的问题，其实 用性也有限。其后由同时破坏方式理论推广产生的满应力设计方法开始在结构优 化中得到一些应用。同一时期开始提出了作为选取最小体积结构的最优准则的概 念，但起初并未得到很好的推广应用。就在这一时期，Schmit30于 1960 年提出将 结构分析的有限元素法与数学规划法结合，从而把数学规划引进结构设计领域以 处理含不等式约束条件的结构优化问题，首次构造了多工况作用下弹性结构优化 设计的数学模型，并提出了应用数学规划求解的方法，从此结构优化设计才较快 的发展成为一门独