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山西某大跨钢管混凝土拱式渡槽结构静动力分析
摘要
本文以一座大跨钢管混凝土拱式渡槽为研究对象，采用有限元方法对其进行静动力分析，研究了钢管混凝土拱式渡槽的结构特点、受力性能和动力特性，探讨了在设计中应关注的问题。根据分析结果，提出了相应的建议和改进措施。本文对设计和施工有一定的参考价值。
关键词：钢管混凝土、拱式渡槽、静动力分析、有限元方法、受力性能、动力特性
一、绪论
随着交通运输业的快速发展，渡槽作为一种常见的交通建筑物，往往会出现大跨度和高荷载的情况。传统的渡槽结构受力性能和动力特性均较为复杂，设计和施工难度较大。钢管混凝土拱式渡槽作为一种新型的结构形式，具有受力性能和动力特性优异、自重轻、施工便利等优点，越来越受到人们的青睐。然而，在设计和施工中，我们需要考虑结构的静力和动力特性，以保证渡槽在长期使用中安全可靠，并且对抗不同的外界环境因素。
本文以山西某大跨钢管混凝土拱式渡槽为研究对象，采用有限元方法进行结构的静动力分析，探讨了钢管混凝土拱式渡槽的结构特点、受力性能和动力特性，分析了不同荷载及地震作用下的结构受力及变形情况，提出了一些改进结构的建议和措施。本文对于渡槽结构的研究以及向应用中的设计和施工有一定的参考意义。
二、钢管混凝土拱式渡槽结构特点
（一）主体结构
山西某大跨钢管混凝土拱式渡槽的主体结构采用矩形截面的钢管混凝土拱体，拱顶处用横梁相连，形成一个整体结构。拱脚处通过扩径，形成“T”形立柱，取得了很好的承载能力。拱全长175m，跨度达到了85m，采用锚固式设计，拱上限高5m，内宽10m，拱下净宽7m，拱顶净高为3.6m。跨度较大，结构复杂，需要应对许多复杂的受力情况，如风荷载、车辆荷载、地震荷载等。
（二）材料特性
本渡槽采用钢管混凝土作为主要材料，即用钢管作为混凝土的模板，在其内部喷涂混凝土，从而形成整个拱体。钢管内置钢筋，具有较强的抗拉强度和承载力，可有效抵抗施加在渡槽上的荷载，同时混凝土使得钢管的受力更加稳定，不易发生形变和成塑病变。此外，钢管混凝土强度高，自重轻，施工简易，在大跨渡槽的设计和应用中得到了广泛的应用。
（三）其他特点
由于本渡槽采用钢管混凝土作为主要的结构材料，具有较强的韧性和抗震性能，因此在设计时为了提高渡槽的受力性能，特别是在应对地震荷载的情况下，加入了多种加强措施，例如在渡槽内部采用悬挂式的桥梁和悬挂式的地下支撑结构，以增加渡槽的抗弯强度和抗震能力，减小横向和纵向振动的幅度。
三、静力分析
（一）荷载分析
在设计中，需要考虑多种荷载组合对结构的影响。本文选取了常见的两种荷载情况，分别为单轨载荷和无轨载荷，荷载组合详见表1。
表1荷载组合明细表
荷载组合荷载种类荷载情况
1单轨载荷4列RQ-25A型机车和30辆Y25型客车沿直线行驶
2无轨载荷QTL2级公路荷载
（二）受力分析
在考虑荷载的情况下，本文采用有限元方法对渡槽进行静态分析，得到结构的应力分布情况。结果表明，在荷载组合1情况下，钢管混凝土槽体受到的最大净弯矩为36804kN·m，最大剪力为308kN；而在荷载组合2情况下，其最大净弯矩为45230kN·m，最大剪力为618.7kN。这表明，随着不同荷载的施加，渡槽的受力情况也将有所变化。因此，在设计和施工中必须考虑到多种荷载情况的作用下，渡槽的受力情况，以保证其受力性能的稳定性和可靠性。
四、动力分析
（一）地震分析
地震是影响结构安全的一大因素，尤其对于大跨度和高荷载的渡槽结构来说更为重要。本文采用了动力时程分析法，对渡槽在不同的地震作用下的动力响应进行了分析。结果表明，在不同的地震级数、水平向或垂直向的地震力作用下，渡槽的加速度最大值均小于指定的标准值，且响应周期较长，结构受力状态相对较为平稳。这表明，钢管混凝土拱式渡槽在设计和施工过程中，需要采取合理的防震措施，充分利用其自身抗震能力和韧性，确保其在地震时能够稳定运转。
（二）振动分析
为了进一步分析钢管混凝土拱式渡槽在不同荷载作用下的动力特性，本文采用了Euler-Bernoulli悬挂梁模型，对渡槽进行了自由振动分析。结果表明，渡槽在不同荷载组合的作用下，具有不同的共振频率，其谐振状态也发生了相应的变化。这表明，在设计和施工中，应充分考虑渡槽的动力响应，并采取合适的措施对其进行优化，以便在运行过程中尽可能减少结构的振动并保证运行稳定。
五、结论与建议
通过对山西某大跨钢管混凝土拱式渡槽进行静动力分析，本文得出以下结论：
（一）钢管混凝土拱式渡槽具有较强的受力性能和动力特性，在大跨度和高荷载情况下具有更大的优势。
（二）在设计和施工过程中，需要合理考虑多种荷载组合的作用下，对渡槽的受力状态进行分析和调整。
（三）在考虑渡槽的抗震能力时，应充分考虑其自身韧性和抗震能力，同时采取一定的加固和强化措施。
（四）钢管混凝土