钢管混凝土（单圆管）单肋拱空间受力研究
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摘要
钢管混凝土拱桥在我国得到了广泛应用。然而作为一种以受压为主的结构体
系，随着材料强度的提高和跨径的增大，钢管混凝土拱桥的稳定问题倍受人们的
关注，尤其是空间稳定问题。因此，开展钢管混凝土拱空间受力非线性性能和稳
定极限承载力的研究是十分必要的。
本文进行了钢管混凝土（单圆管）单肋拱空间受力全过程试验，对试验结果进
行了分析。并与面内受力模型拱、空间受力的双肋拱的受力行为进行了比较，对
钢管混凝土肋拱空间受力性能有了一定的了解，为建立钢管混凝土拱空间受力双
重非线性有限元分析方法打下了基础。
本文探讨了应用 ＡＮＳＹＳ 程序进行钢管混凝土模型拱空间受力有限元分析的
方法。应用该方法对钢管混凝土单肋模型拱和双肋模型拱的空间受力进行了分
析。
在前述研究和福州大学钢管混凝土拱面内双重非线性分析程序的基础上，本
文提出了空间受力分析的双重非线性有限元方法，并改编了相应的程序。将原有
的平面梁单元（二维）改为空间梁单元（三维），选取压弯扭复杂受力状态下，
合适的钢管混凝土的本构关系。应用本文提出的方法对钢管混凝土单肋模型拱和
双肋模型拱的分析表明，在现有的几个算法中，它计算的结果与试验结果吻合最
好。
本文对钢管混凝土模型拱空间受力研究所作的工作，为进一步深入研究钢管
混凝土拱空间稳定极限承载力的有限元计算方法打下了基础。
Concrete-filled steel tubular (CFST) arch bridge has been widely used in China.
Because the pressure is the dominate forces in the structure, therefore with the rise of
strength of materials and enlargement of the span, more concern has focused on the
stability problem of this kind bridge, especially the out-plane stability problem, So
researches on the non-linearity characteristics and ultimate stability load-carrying
capacity of CFST arch under spatialloads seems quite necessary.
An experiment on the whole process of the CFST (single tube) single rib arch
under spatial loads has been carried out. By comparison with the behavior of model
arch under in-plane loads and dual rib arch under spatial loads, the test results have
been analyzed to understand the behavior of CFST arch under spatial loads. This
understanding will help to establish dual none-linearity finite element analysis method
of such arch bridge.
An attempt has been make out to use the universal ANSYS software to analysis
the dual-nonlinearity properties of CFST arch. Used this method, the CFST model
arch (both single and dual rib) under spatial loads were analyzed.
Based on the former research works and the program dealing with the
dual-nonlinearity of CFST arch subjected to in-plane load developed by Fuzhou
University, a method of dual non-linearity FE method and program to analyze CFST
arch under spatial loads has brought forward. In this method, spatial beam element
(three dimensional) substitute the in-plane one (two dimensional). A proper
stress-strain relationship model of CFST material under complicated conditions, i.e.,
compression, bending as well as torsion, has been selected. From the comparisons of
the several present methods, it shows that the analytical results by the present finite
element method in this paper agree the most well with the test results.
The research works by this paper will provide a base for the further research on
thespatial stabilityultimate load-carrying capacity of CFST arch.
系，随着材料强度的提高和跨径的增大，钢管混凝土拱桥的稳定问题倍受人们的
关注，尤其是空间稳定问题。因此，开展钢管混凝土拱空间受力非线性性能和稳
定极限承载力的研究是十分必要的。
本文进行了钢管混凝土（单圆管）单肋拱空间受力全过程试验，对试验结果进
行了分析。并与面内受力模型拱、空间受力的双肋拱的受力行为进行了比较，对
钢管混凝土肋拱空间受力性能有了一定的了解，为建立钢管混凝土拱空间受力双
重非线性有限元分析方法打下了基础。
本文探讨了应用 ＡＮＳＹＳ 程序进行钢管混凝土模型拱空间受力有限元分析的
方法。应用该方法对钢管混凝土单肋模型拱和双肋模型拱的空间受力进行了分
析。
在前述研究和福州大学钢管混凝土拱面内双重非线性分析程序的基础上，本
文提出了空间受力分析的双重非线性有限元方法，并改编了相应的程序。将原有
的平面梁单元（二维）改为空间梁单元（三维），选取压弯扭复杂受力状态下，
合适的钢管混凝土的本构关系。应用本文提出的方法对钢管混凝土单肋模型拱和
双肋模型拱的分析表明，在现有的几个算法中，它计算的结果与试验结果吻合最
好。
本文对钢管混凝土模型拱空间受力研究所作的工作，为进一步深入研究钢管
混凝土拱空间稳定极限承载力的有限元计算方法打下了基础。
Concrete-filled steel tubular (CFST) arch bridge has been widely used in China.
Because the pressure is the dominate forces in the structure, therefore with the rise of
strength of materials and enlargement of the span, more concern has focused on the
stability problem of this kind bridge, especially the out-plane stability problem, So
researches on the non-linearity characteristics and ultimate stability load-carrying
capacity of CFST arch under spatialloads seems quite necessary.
An experiment on the whole process of the CFST (single tube) single rib arch
under spatial loads has been carried out. By comparison with the behavior of model
arch under in-plane loads and dual rib arch under spatial loads, the test results have
been analyzed to understand the behavior of CFST arch under spatial loads. This
understanding will help to establish dual none-linearity finite element analysis method
of such arch bridge.
An attempt has been make out to use the universal ANSYS software to analysis
the dual-nonlinearity properties of CFST arch. Used this method, the CFST model
arch (both single and dual rib) under spatial loads were analyzed.
Based on the former research works and the program dealing with the
dual-nonlinearity of CFST arch subjected to in-plane load developed by Fuzhou
University, a method of dual non-linearity FE method and program to analyze CFST
arch under spatial loads has brought forward. In this method, spatial beam element
(three dimensional) substitute the in-plane one (two dimensional). A proper
stress-strain relationship model of CFST material under complicated conditions, i.e.,
compression, bending as well as torsion, has been selected. From the comparisons of
the several present methods, it shows that the analytical results by the present finite
element method in this paper agree the most well with the test results.
The research works by this paper will provide a base for the further research on
thespatial stabilityultimate load-carrying capacity of CFST arch.
引文
［１］ 陈宝春．钢管混凝土拱桥实例集（一）［Ｍ］．人民交通出版社，２００２
［２］ 陈宝春．钢管混凝土拱桥设计与施工［Ｍ］．人民交通出版社，１９９９
［３］ 陈宝春．钢管混凝土拱桥计算理论研究进展［Ｊ］．土木工程学报，３６（１２），
２００３－１２，ｐｐ：４７－５７
［４］ 陈宝春．陈友杰．钢管混凝土（单圆管）肋拱面内全过程试验研究［Ｊ］．工
程力学，１７（２），２０００
［５］ 陈友杰．陈宝春．钢管混凝土肋拱面内受力全过程有限元分析［Ｊ］．工程力
学，２０００（增刊）
［６］ 欧智菁．钢管混凝土偏心受压本构关系及其在钢管混凝土拱桥受力分析中的
应用［Ｄ］．福州大学，１９９５
［７］ 陈宝春．王来永．欧智菁．韩林海．钢管混凝土偏心受压应力－应变试验研
究［Ｊ］．工程力学， ２０（６），２００３ 年 １２ 月，１５４－１５９
［８］ 王来永．钢管混凝土梁柱受力性能分析［Ｄ］．福州大学，２００１
［９］ 林英．钢管—钢管混凝土复合拱桥面内受力性能试验研究［Ｄ］．福州大学，
２０００
［１０］ 韦建刚，陈宝春，林英．钢管混凝土肋拱面内多点对称加载试验研究［Ｊ］．哈
尔滨建筑大学学报，３４（增刊），２００１ 年 ９ 月
［１１］ 陈宝春，秦泽豹．钢管混凝土（单圆管）肋拱面内极限承载力计算的等效梁
柱法［Ｊ］．铁道学报，２００４
［１２］ 杨永清．钢管混凝土拱桥横向稳定性研究［Ｄ］．西南交通大学，１９９８
［１３］ 华少中．钢管混凝土拱桥考虑水平荷载作用的侧倾稳定非线性分析［Ｄ］．浙
江大学，２００３
［１４］ 吴尚杰．大跨径钢管混凝土肋拱桥侧向稳定的有限元分析［Ｄ］．福州大学，
１９９５
［１５］ 赵长军，王锋君，陈强等．大跨度钢管混凝土拱桥空间稳定性分析［Ｊ］．公
路，２００１（２）
［１６］ 郑存辉．下承式钢管混凝土拱桥的侧倾稳定分析［Ｄ］．华南理工大学
［１７］ 胡大琳，艾夫·哈依姆，黄安录．大跨径钢管混凝土拱桥空间几何非线性分
析［Ｊ］．中国公路学报，１９９８（２）
［１８］ 戴公连，等．钢管混凝土空间弹塑性稳定极限承载力非线性分析［Ｊ］．公路
54
福州大学硕士学位论文
学报，２００３
［１９］ 刘 忠．大跨径钢－混凝土复合桥梁的时间、几何、材料、温度非线性空间
分析［Ｄ］．同济大学，１９９４
［２０］ 赵 雷，杜正国．大跨度钢筋混凝土拱桥钢管混凝土劲性骨架施工阶段稳定
性分析［Ｊ］．西南交通大学学报，１９９４（４）
［２１］ 陈宝春，陈友杰，刘玉擎．钢管与钢管混凝土复合拱桥，桥梁建设，２００１（１），
总第 １３４ 期：１７—２０
［２２］ 韦建刚．钢管混凝土对称弯压拱分支点失稳问题研究［Ｄ］．福州大学，２００１
［２３］ 林英、陈宝春、陈友杰，钢管拱面内对称加载试验，福州大学学报（自然科
学版），２９（２），２００１ 年 ４ 月，ｐｐ６６—６９
［２４］ 博嘉科技． 有限元分析软件—ＡＮＳＹＳ 融汇与贯通［Ｍ］．中国水利水电出版社，
２００２
［２５］ 韦建刚，陈宝春．钢管混凝土拱桥材料非线性有限元分析方法［Ｊ］．福州大
学学报，２００４，ｖｏｌ－３
［２６］ 赵振铭，陈宝春．杆系与箱型梁桥结构分析及程序设计［Ｍ］．华南理工大学
出版社，１９９７ 年 １２ 月
［２７］ 韩林海．钢管混凝土力学［Ｍ］．大连理工大学出版社，１９９５
［２８］ 中华人民共和国国家标准，混凝土结构设计规范（ＧＢ５００１０－２００２）［Ｓ］．中国
建筑工业出版社，２００２
［２９］ 钟善桐． 钢管混凝土结构（第二版）［Ｍ］．黑龙江科学出版社，１９９４
［３０］ Baochun CHEN, Nonlinear Characteristics and Ultimate Load-Carrying Capacity of
Concrete Filled Tubular Arch，Kyushu University, Japan, Nov. 2003
［３１］ 谢琪．钢筋混凝土拱桥极限变位研究［Ｄ］．福州大学图书馆，１９８８
［３２］ 陈宝春，陈友杰，王来永，韩林海．钢管混凝土偏心受压应力—应变关系模
型研究［Ｊ］．中国公路学报，１７（１），２００４ 年 １ 月，ｐｐ：２４－２８
［３３］ 杨卫红，阎善章．钢管混凝土基本剪切问题的研究［Ｊ］．哈尔滨建筑工程学
院学报，１９９１．９ （增刊）
［３４］ 韩林海，钟善桐．钢管混凝土纯扭转问题研究［Ｊ］．工业建筑，１９９５ 年，ｖｏｌ－１
［３５］ 韩林海，钟善桐．钢管混凝土基本剪切问题研究［Ｊ］．哈尔滨建筑工程学院
学报，１９９４．６
［３６］ 韩林海．钢管混凝土结构［Ｍ］．北京科学出版社，２０００
［３７］ 陈宝春，秦泽豹，彦坂熙，陈友杰．钢管混凝土拱（单圆管）面内受力双重
非线性有限元分析［Ｊ］．铁道学报，２５（４），２００３ 年 ８ 月，８０－８４
55
钢管混凝土（单圆管）肋拱空间受力双重非线性分析
［３８］ 张文福，赵文艳，张素梅．方钢管混凝土双向压弯截面非线性分析算法［Ｊ］．黑
龙江工程学院学报，２０００．６．
［３９］ 韩林海，钟善桐．钢管混凝土弯扭构件的理论分析和实验研究［Ｊ］．工业建
筑，１９９４ 年，ｖｏｌ－２
［４０］ 钟善桐．钢管混凝土结构（第三版）［Ｍ］．清华大学出版社，２００２
［２］ 陈宝春．钢管混凝土拱桥设计与施工［Ｍ］．人民交通出版社，１９９９
［３］ 陈宝春．钢管混凝土拱桥计算理论研究进展［Ｊ］．土木工程学报，３６（１２），
２００３－１２，ｐｐ：４７－５７
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［３４］ 韩林海，钟善桐．钢管混凝土纯扭转问题研究［Ｊ］．工业建筑，１９９５ 年，ｖｏｌ－１
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学报，１９９４．６
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［３７］ 陈宝春，秦泽豹，彦坂熙，陈友杰．钢管混凝土拱（单圆管）面内受力双重
非线性有限元分析［Ｊ］．铁道学报，２５（４），２００３ 年 ８ 月，８０－８４
55
钢管混凝土（单圆管）肋拱空间受力双重非线性分析
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龙江工程学院学报，２０００．６．
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筑，１９９４ 年，ｖｏｌ－２
［４０］ 钟善桐．钢管混凝土结构（第三版）［Ｍ］．清华大学出版社，２００２