大跨度钢拱桥静力非线性及地震响应研究
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摘要
摘 要
拱桥外形美观，施工简易，造价较低，在修建大跨径桥梁当中是很有竞争
力的桥型。采用整体钢箱拱肋或钢箱桁架式拱肋，使拱桥的跨越能力更大。随
着我国修建的大跨度钢拱桥的日益增多，需要设计者对该桥型有个定性的认识
[36]
。
本文以广州市新光大桥为工程背景，应用通用有限元程序分析了大跨度中
承式钢拱桥的静、动力特性。
静力方面，首先分析了在成桥状态几何非线性的影响程度；其次，通过计
算各主要受力构件在恒载和活载作用下的内力变化，提出在设计阶段应进行吊
杆和桥面系部分构件疲劳强度验算；最后，简要的将平行拱和提篮拱进行了比
较。
动力方面，探讨了初应力刚度矩阵在大跨度拱桥动力分析中的影响；通过
自振特性分析比较了平行拱与提篮拱的刚度差别；在时程响应分析中，讨论了
竖向地震动和行波效应的影响。
Arch bridge is characterized by its beautiful appearance , easily constructed and
relative lower cost , and it’s span can be increased when the rib of arch is made of
the steel box or tuss of steel box, so it can be considered as a most competitive style
among the long-span bridges. With the increasing contruction of long span arch
bridge in our country, to study the knowledge of this kind of bridges is becoming
more necessary.
Thereby, this paper takes the guangzhou xinguang bridge as engineering
background and the behavior of statics and dynamic of steel arch bridge is analysed
by the finite element program.
As to statics, firstly, the geometry nonlinearity of bridge in service is analysed;
Secondly, through analysing the inner force of primary component when they bear
dead load and live load, puts forward that suspender and the parts of deck must be
ananlysed for the fatigue strength. lastly，parallel rib of arch bridge is compared with
X type rib.
For dynamics, the influence of stress stiffness matrix in the dynamics analysis
of long span arch bridge is discussed, then the difference of stiffness between
parallel rib and X type rib is analysed by way of the dynamic property ; finally, the
influence of upright earthquake and travelling wave are discussed.
拱桥外形美观，施工简易，造价较低，在修建大跨径桥梁当中是很有竞争
力的桥型。采用整体钢箱拱肋或钢箱桁架式拱肋，使拱桥的跨越能力更大。随
着我国修建的大跨度钢拱桥的日益增多，需要设计者对该桥型有个定性的认识
[36]
。
本文以广州市新光大桥为工程背景，应用通用有限元程序分析了大跨度中
承式钢拱桥的静、动力特性。
静力方面，首先分析了在成桥状态几何非线性的影响程度；其次，通过计
算各主要受力构件在恒载和活载作用下的内力变化，提出在设计阶段应进行吊
杆和桥面系部分构件疲劳强度验算；最后，简要的将平行拱和提篮拱进行了比
较。
动力方面，探讨了初应力刚度矩阵在大跨度拱桥动力分析中的影响；通过
自振特性分析比较了平行拱与提篮拱的刚度差别；在时程响应分析中，讨论了
竖向地震动和行波效应的影响。
Arch bridge is characterized by its beautiful appearance , easily constructed and
relative lower cost , and it’s span can be increased when the rib of arch is made of
the steel box or tuss of steel box, so it can be considered as a most competitive style
among the long-span bridges. With the increasing contruction of long span arch
bridge in our country, to study the knowledge of this kind of bridges is becoming
more necessary.
Thereby, this paper takes the guangzhou xinguang bridge as engineering
background and the behavior of statics and dynamic of steel arch bridge is analysed
by the finite element program.
As to statics, firstly, the geometry nonlinearity of bridge in service is analysed;
Secondly, through analysing the inner force of primary component when they bear
dead load and live load, puts forward that suspender and the parts of deck must be
ananlysed for the fatigue strength. lastly，parallel rib of arch bridge is compared with
X type rib.
For dynamics, the influence of stress stiffness matrix in the dynamics analysis
of long span arch bridge is discussed, then the difference of stiffness between
parallel rib and X type rib is analysed by way of the dynamic property ; finally, the
influence of upright earthquake and travelling wave are discussed.
引文
1 Park,K.C.,Reich,G.W.,Alvin,K.F..Structural Damage Detection using
Localized Flexibilities.J.of Intelligent Material System and
Structures,1999,9(11):911-919
2 B. Chen,Y. Chen and Y. Liu. Hybrid Arch Bridge Using Both Steel and
Concrete Filled Steel Tubes.Arch’01 (Third International Arch
Bridge Conference), Paris, 19-21 Sept.,2001
3 John M. Kulicki. The Once and Future Steel Bridge. Transportation
Research Record 1696, paper No.5B0136
4 J. Manteroral Armisen. Composite Arch Bridge. Arch’01 (Third
International Arch Bridge Conference), Paris, 19-21 Sept., 2001
5 Carr,A.J.,“Dynamic Analysis of Structures,” Bulletin of the New
Zealand National Soiety for Earthquake Engineering,
Vol.27,No.2,June 1994,pp.129-146
6 Der Kiureghian,A.,and A.Neuenhoferf,“Response Spectrum Method foe
Multisupport Seismic Excitation,”Earthquake Engineering and
Structual Dynamics,Vol.21,1992.pp.713-740
7 Idriss,I.M.,J.Lysmer,R.Hwang,and H.B.Seed,QUAD-4:A Computer
Program for Evaluating the Seismeic Response of Soil Structrual by
Variabal Damping Finite Element Procedures,Report 73-16,Earthquake
Engineering Research Center ,Berkeley,Calif.,1973
8 Sakimoto,T.,Komatsu S. Ultimate Strength of Steel Arches under
Lateral Loads, Proceedings. Japan Society of Civil Engineer. NO.292.
1979.12
9 H.J. Ernst. Der E-Modul von Seilen unter Beruchsichtigun des
Durchanges, Der Bauingeniear. Feb., 1965, 40(2)
10 Aslam Kassimali, Reza Abbasnia. Large Deformation Analysis of
Elastic Space Frames. Journal Engineering. July, 1981, 117(7):
pp.2069～2087
72
参考文献
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Columbus:McGraw-Hill Book Co. 1961
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Noordhoff Int. Pub. 1975.4
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版).清华大学出版社,2002.4
15 Timoshenko,S.P.,Gere,J.:Theory of Elastic Stability,2.Ed.McGraw
Hill Inc.1961.
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Inc,1977.
17 Saafan S A,Theoretical analysis of suspension bridge
18 R.D.Cook.Concepts and applications of finite element analysis.John
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19 T.Y.Lin,Sidney D.Stotesbury,Structural Concepts and Systems for
Architects and Engineers
20 K.J.Bathe:Finite Element Procedures in Engineering analysis.
Prentice-Hall Inc,1982
21 陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工. 北京: 人民交通出版社,1999
22 宋一凡.公路桥梁动力学. 北京: 人民交通出版社,2000.6
23 姚玲森.桥梁工程. 北京: 人民交通出版社,1985.12
24 [美]R.W.克拉夫 ，J.彭津. 北京：科学出版社，1981.11
25 范立础.大跨度桥梁抗震设计. 北京：科学出版社，2001.5
26 范立础，卓卫东.桥梁延性抗震设计. 北京：科学出版社，2001.5
27 M.J.N.普瑞斯特雷，F.塞勃勒，G.M.卡尔维.桥梁抗震设计与加固. 北京：
人民交通出版社,1997.10
28 徐升桥.丫髻沙大桥主桥设计研究.铁道标准设计,2001(6)
73
北京工业大学工学硕士学位论文
29 雷俊卿，钟厚冰.中下承拱桥悬吊桥面结构的分析与对策研究..中国公路
学会桥梁和结构工程学会二零零三年桥梁学术讨论会论文集.北京:人民交
通出版社,2003.9
30 叶建龙，孙建渊，石洞.梁拱组合桥柔性吊杆张拉力的确定及分析. 中国公
路学会桥梁和结构工程学会一九九九年桥梁学术讨论会论文集.厦
门,1999.12.北京:人民交通出版社,2000.1
31 [日本]小西一郎.钢桥. 北京:中国铁道出版社,1982.9
32 李国豪.桥梁结构稳定与振动（修订版）.北京:中国铁道出版社,2002.3
33 项海帆.高等桥梁结构理论.北京: 人民交通出版社,2001.4
34 李传习,夏桂云.大跨度桥梁结构计算理论.北京:人民交通出版社,2002.6
35 项海帆.21 世纪世界桥梁工程的展望.土木工程学报.2000.6,33(3):pp.1～
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36 戴竞.大跨度桥梁桥型比较.中国公路学会桥梁和结构工程学会一九九九年
桥梁学术讨论会论文集.厦门,1999.12.北京:人民交通出版社,2000.1
37 曾威.中国大跨径公路桥梁的技术发展特征及趋势.中国公路学会桥梁和结
构工程学会一九九九年桥梁学术讨论会论文集.厦门,1999.12.北京:人民
交通出版社,2000.1
38 江见鲸.钢筋混凝土结构非线性有限元分析.西安:陕西科学技术出版
社,1994.3
39 宋天霞,邹时智,杨文兵.非线性结构有限元计算.武汉:华中理工大学出版
社,1996.4
40 华孝良,徐光辉.桥梁结构非线性分析.北京:人民交通出版社,1997.6
41 顾安邦,常英,乐云祥.大跨径预应力连续刚构桥施工监控的理论和方法.中
国公路学会桥梁和结构工程学会一九九九年桥梁学术讨论会论文集.厦
门,1999.12.北京:人民交通出版社,2000.1
42 杜国华,毛昌时,司徒妙龄.桥梁结构分析.上海:同济大学出版社,1994.2
43 周念先.桥梁方案比选.上海:同济大学出版社,1997.10
44 龚尧南,王寿梅.结构分析中的非线性有限元素法.北京:北京航空学院出版
社,1986.11
74
参考文献
45 蒋友谅.非线性有限元法.北京:北京工业学院出版社,1988.6
46 洪锦如.桥梁结构计算力学.上海:同济大学出版社,1998.3
47 Robert D.Cook.有限元分析的概念和应用.程耿东，何穷，张国荣译.北京:
科学出版社,1989.2
48 张海元,张敬宇,赵志岗.固体力学的数值方法.天津:天津大学出版
社,1991.2
49 谢贻权,林钟祥,丁皓江.弹性力学.杭州:浙江大学出版社,1988.3
50 张汝清.固体力学变分原理及其应用.重庆:重庆大学出版社,1991.8
51 石洞,石志源,黄东洲.桥梁结构电算.上海:同济大学出版社,1987.9
52 何雄君.桥梁结构实用电算.北京:科学出版社,1996.6
53 王国强.实用工程数值模拟技术及其在 ANSYS 上的实践.西安:西北工业大学
出版社,1999.8
54 吕和祥,朱菊芬,马莉颖.大转动梁的几何非线性分析分析讨论.计算结构力
学及其应用.1995.11,12(4):pp.485～490
55 郭 咏 辉 , 贺 国 京. 桥 梁 结 构 非 线 性 静 力 分 析. 铁 道 学
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56 范立础.桥梁工程(上册).北京:人民交通出版社,2001.11
57 肖汝诚,林平.计算结构力学在桥梁结构施工设计与施工控制中的应用.计
算结构力学及其应用.1993.2,10(1):pp.92～98
58 肖汝诚.确定大跨径桥梁结构合理设计状态的理论与方法研究.上海同济大
学博士论文.1996.10
59 中华人民共和国交通部标准.公路桥涵设计通用规范(JTJ 021-89).北京:人
民交通出版社,1995.8
60 中华人民共和国交通部标准.公路桥涵钢结构及木结构设计规范(JTJ
025-86).北京:人民交通出版社,1995.8
61 中华人民共和国交通部标准.公路斜拉桥设计规范（试行）(JTJ 027-96).
北京:人民交通出版社,1997.1
62 徐君兰.大跨度桥梁施工控制.北京:人民交通出版社,2000.8
63 陆楸,王春富,冯国明.公路桥梁设计电算.北京:人民交通出版社,1983.6
75
北京工业大学工学硕士学位论文
64 朱伯芳.有限元法原理与应用.北京:中国水利水电出版社,1998.10
65 余天庆等译,刘再华校.土木工程材料的本构方程（第一卷 弹性与建模）.
武汉:华中科技大学出版社,2001.5
66 中铁大桥局集团有限公司.大跨度桥梁设计与施工技术. 北京:人民交通出
版社,2002.10
67 荣见华 , 郑健荣. 结构动力修改及优化设计. 北京 : 人民交通出版
社,2002.10
68 ANSYS 用户手册
69 中华人民共和国交通部标准.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规
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2 B. Chen,Y. Chen and Y. Liu. Hybrid Arch Bridge Using Both Steel and
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34 李传习,夏桂云.大跨度桥梁结构计算理论.北京:人民交通出版社,2002.6
35 项海帆.21 世纪世界桥梁工程的展望.土木工程学报.2000.6,33(3):pp.1～
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36 戴竞.大跨度桥梁桥型比较.中国公路学会桥梁和结构工程学会一九九九年
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37 曾威.中国大跨径公路桥梁的技术发展特征及趋势.中国公路学会桥梁和结
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社,1994.3
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41 顾安邦,常英,乐云祥.大跨径预应力连续刚构桥施工监控的理论和方法.中
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53 王国强.实用工程数值模拟技术及其在 ANSYS 上的实践.西安:西北工业大学
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54 吕和祥,朱菊芬,马莉颖.大转动梁的几何非线性分析分析讨论.计算结构力
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55 郭 咏 辉 , 贺 国 京. 桥 梁 结 构 非 线 性 静 力 分 析. 铁 道 学
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56 范立础.桥梁工程(上册).北京:人民交通出版社,2001.11
57 肖汝诚,林平.计算结构力学在桥梁结构施工设计与施工控制中的应用.计
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58 肖汝诚.确定大跨径桥梁结构合理设计状态的理论与方法研究.上海同济大
学博士论文.1996.10
59 中华人民共和国交通部标准.公路桥涵设计通用规范(JTJ 021-89).北京:人
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60 中华人民共和国交通部标准.公路桥涵钢结构及木结构设计规范(JTJ
025-86).北京:人民交通出版社,1995.8
61 中华人民共和国交通部标准.公路斜拉桥设计规范（试行）(JTJ 027-96).
北京:人民交通出版社,1997.1
62 徐君兰.大跨度桥梁施工控制.北京:人民交通出版社,2000.8
63 陆楸,王春富,冯国明.公路桥梁设计电算.北京:人民交通出版社,1983.6
75
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64 朱伯芳.有限元法原理与应用.北京:中国水利水电出版社,1998.10
65 余天庆等译,刘再华校.土木工程材料的本构方程（第一卷 弹性与建模）.
武汉:华中科技大学出版社,2001.5
66 中铁大桥局集团有限公司.大跨度桥梁设计与施工技术. 北京:人民交通出
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67 荣见华 , 郑健荣. 结构动力修改及优化设计. 北京 : 人民交通出版
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69 中华人民共和国交通部标准.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规
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