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        大跨度中承式鋼箱混凝土系桿拱橋穩(wěn)定性研究

        2012-11-27 03:20:56王明明
        關(guān)鍵詞:混凝土結(jié)構(gòu)模型

        王明明

        (鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300142)

        近年來(lái),隨著橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)、施工工藝等方面的飛速發(fā)展,很多造型新穎、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜的大跨度系桿拱橋也同時(shí)得到很大發(fā)展。而以受壓為主的大跨度系桿拱橋結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),其穩(wěn)定問(wèn)題和其極限承載能力問(wèn)題是緊密聯(lián)系在一起的,因此,拱橋穩(wěn)定性與其強(qiáng)度問(wèn)題有著同樣的重要性。由于大跨度拱橋結(jié)構(gòu)日益廣泛地采用高強(qiáng)材料以及結(jié)構(gòu)桿件的薄壁化,更顯示出了拱橋穩(wěn)定問(wèn)題的重要性[1,2]。

        本文結(jié)合一大跨度中承式系桿拱橋。該系桿拱橋主跨為108.0 m,兩邊的邊跨為32.1 m。主跨拱肋矢高為25.0 m,矢跨比為1/4.32,邊拱肋矢高11.75 m,矢跨比為1/5.19。兩片拱肋中心線之間的橫向距離為12.0 m。該系桿拱橋采用中承式鋼箱混凝土結(jié)構(gòu),拱肋采用鋼箱填充混凝土截面,橋面系布置為縱橫梁體系+混凝土橋面板結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)上采用拱式連續(xù)梁體系,系桿拱主拱肋和主縱梁采用固結(jié)處理,為中承式系桿拱橋另一新型結(jié)構(gòu)形式。鑒于該系桿拱橋在結(jié)構(gòu)和受力上的獨(dú)特性,對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行研究是非常有意義的。

        1 拱橋的穩(wěn)定分析理論

        從拱橋失穩(wěn)的特點(diǎn)來(lái)講,可以將拱橋的失穩(wěn)問(wèn)題分為第一類失穩(wěn)問(wèn)題和第二類失穩(wěn)問(wèn)題2種情況[3,4]。

        1.1 拱橋第一類穩(wěn)定分析理論

        拱橋第一類穩(wěn)定問(wèn)題屬于平衡分支問(wèn)題,其本質(zhì)是數(shù)學(xué)上的特征值問(wèn)題,求解出的最小特征值就是拱橋的失穩(wěn)臨界荷載系數(shù)[1,2]。拱橋第一類穩(wěn)定的線性求解方程為

        式中 [KD]——結(jié)構(gòu)彈性剛度矩陣;

        [Kσ]——結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力剛度矩陣;

        λ——拱橋荷載穩(wěn)定系數(shù);

        {δ}——結(jié)構(gòu)的位移增量。

        第一類穩(wěn)定的廣義特征值方程如式(2)所示

        由上述方程計(jì)算出的特征值,只有其最小值才有實(shí)際意義,其值對(duì)應(yīng)的就是拱橋失穩(wěn)的臨界荷載系數(shù)。

        1.2 拱橋第二類穩(wěn)定分析理論

        拱橋第二類穩(wěn)定理論分析是采用平衡迭代的方法進(jìn)行的。其非線性平衡方程[3,4]為

        式中 [KD]——結(jié)構(gòu)彈性剛度矩陣;

        [KL]——結(jié)構(gòu)大位移剛度矩陣;

        [Kσ]——結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力剛度矩陣;

        {δ}——結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處位移值;

        {F}—結(jié)構(gòu)等效節(jié)點(diǎn)處荷載值。

        拱橋的壓潰荷載即是考慮拱橋幾何材料雙重非線性所得的極限失穩(wěn)荷載。

        2 空間有限元分析模型介紹

        利用ANSYS通用有限元計(jì)算分析軟件,建立了三維全橋空間有限元分析模型。模型中采用空間梁?jiǎn)卧?、板殼單元以及空間桿單元對(duì)該系桿拱橋的各結(jié)構(gòu)桿件進(jìn)行模擬,全橋空間模型如圖1所示。

        2.1 單元選取

        拱肋鋼箱和拱肋混凝土截面:采用“雙單元”法模擬拱肋鋼箱和填充混凝土的相互作用,模型中選用beam188梁?jiǎn)卧?,此空間梁?jiǎn)卧梢詽M足非線性收斂計(jì)算的需要。

        圖1 有限元模型立面

        主縱梁:模型中采用beam4梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。

        混凝土橋面板:模型中采用plan163板殼單元進(jìn)行模擬。

        吊桿和預(yù)應(yīng)力系桿:模型中采用link10桿單元進(jìn)行模擬,并在計(jì)算時(shí)考慮吊桿和預(yù)應(yīng)力系桿中的初始拉力荷載。

        2.2 邊界條件

        計(jì)算模型中沒(méi)有模擬樁基礎(chǔ)與地基土之間的相互作用,建模時(shí)直接在拱座處按一般支承進(jìn)行約束處理。在計(jì)算時(shí)主拱肋鋼箱和主縱梁鋼箱固結(jié)處采用共節(jié)點(diǎn)處理,邊拱肋和主縱梁固結(jié)處通過(guò)設(shè)置剛臂進(jìn)行連接。

        2.3 荷載工況

        利用上述建立的有限元計(jì)算模型,對(duì)該橋進(jìn)行穩(wěn)定性分析,本文只計(jì)算了成橋狀態(tài)下的穩(wěn)定性。模型中主要考慮以下4種荷載工況的組合。

        恒荷載:系桿拱橋結(jié)構(gòu)全部的自身重力。一期恒載:為拱肋和主縱梁等主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重力;二期恒載:成橋后施加在主體結(jié)構(gòu)上的軌道、欄桿等附屬構(gòu)造設(shè)施的重力。

        列車活載:列車活載布置在橋梁主跨的范圍內(nèi),按最不利位置進(jìn)行加載。按照結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn),考慮雙側(cè)列車荷載。

        人行道荷載:根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和本橋的設(shè)計(jì)文件,采用5.0 kN/m2進(jìn)行計(jì)算。

        橫向風(fēng)荷載:在計(jì)算模型中考慮拱肋鋼箱、主縱梁鋼箱、豎撐和吊桿的橫向靜風(fēng)荷載作用,不考慮風(fēng)荷載的動(dòng)力作用。其計(jì)算按照《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)中的有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。

        2.4 拱橋有限元計(jì)算

        到目前為止,大跨度拱橋結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性分析基本上是以線彈性理論為主,大跨度鋼箱混凝土肋式拱橋,由于此種類型橋梁寬跨比較小,橫向剛度相對(duì)較弱,大多是整體側(cè)向外傾失穩(wěn),失穩(wěn)時(shí)拱橋材料基本上已經(jīng)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)。此時(shí),采用第一類穩(wěn)定理論計(jì)算的臨界荷載會(huì)偏于不安全,對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生安全隱患。因此,要準(zhǔn)確計(jì)算拱橋的臨界荷載,就要同時(shí)考慮拱橋幾何材料雙重非線性的影響。這樣計(jì)算出的拱橋穩(wěn)定性才更符合實(shí)際工程的失穩(wěn)狀況。

        3 計(jì)算結(jié)果與分析

        3.1 系桿拱第一類穩(wěn)定計(jì)算分析

        將系桿拱橋的穩(wěn)定安全系數(shù)[5,6]定義如下

        式中,Pt為橋梁結(jié)構(gòu)施加的基本荷載;Pcr為結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)對(duì)應(yīng)的極限荷載值;穩(wěn)定安全系數(shù)Kcr就是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)基本荷載Pt的加載倍數(shù),反應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)某種荷載工況的安全儲(chǔ)備。

        按照上述定義的穩(wěn)定性安全系數(shù),計(jì)算了拱橋的第一類穩(wěn)定性,第一類穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

        表1 各荷載工況下系桿拱橋第一類穩(wěn)定安全系數(shù)

        系桿拱橋的一階失穩(wěn)模態(tài)[7]如圖2所示。計(jì)算結(jié)果表明:系桿拱橋在上述各荷載工況下的一階失穩(wěn)模態(tài)均為拱肋橫向反對(duì)稱失穩(wěn)。

        圖2 系桿拱橋第一階失穩(wěn)模態(tài)

        從表1可以看出:系桿拱橋的第一類穩(wěn)定安全系數(shù)在荷載工況1作用下為44.265,在荷載工況2的作用下為36.360,對(duì)于成橋運(yùn)營(yíng)階段其穩(wěn)定安全系數(shù)是完全滿足規(guī)范要求的。對(duì)于在荷載工況3的基礎(chǔ)上加上橫向風(fēng)荷載的荷載工況4作用下,其穩(wěn)定安全系數(shù)基本不變。由此可見(jiàn),橫向風(fēng)荷載對(duì)系桿拱橋的第一類整體穩(wěn)定性影響很小。而對(duì)比工況1和工況2可以看出,第一類穩(wěn)定安全系數(shù)在加上列車豎向靜活載后有顯著的下降趨勢(shì),穩(wěn)定安全系數(shù)降低達(dá)到17.9%。

        3.2 系桿拱第二類穩(wěn)定計(jì)算分析

        3.2.1 系桿拱幾何非線性穩(wěn)定分析

        在計(jì)算時(shí),模型中只考慮橋梁結(jié)構(gòu)自身恒荷載的作用。采用拱橋第二類穩(wěn)定分析理論對(duì)該系桿拱橋的穩(wěn)定性進(jìn)行幾何非線性分析[8],圖3即為主拱肋1/4截面處橫向位移的P-Δ曲線。其中:Δ為主拱肋1/4截面處橫向位移,K為計(jì)算模型中施加的荷載與基本荷載(恒載)Pt的比值,P-Δ曲線所計(jì)算K的最大值即為該系桿拱橋的穩(wěn)定安全系數(shù)。

        圖3 主拱肋1/4截面橫向位移的P-Δ曲線

        從P-Δ曲線中可以看出:由于沒(méi)有考慮拱橋的初始缺陷的影響,在荷載加載之初,結(jié)構(gòu)并沒(méi)有出現(xiàn)橫向位移,隨著荷載的增大,當(dāng)所施加的荷載接近拱橋的極限失穩(wěn)荷載時(shí),此時(shí)其橫向位移突然變大,P-Δ曲線基本上呈水平狀態(tài),說(shuō)明該系桿拱橋此時(shí)已經(jīng)不能滿足正常的使用功能,結(jié)構(gòu)已經(jīng)失穩(wěn)。

        結(jié)合第一類穩(wěn)定分析的計(jì)算結(jié)果還可以看出:該系桿拱橋第一類穩(wěn)定安全系數(shù)為44.27,計(jì)入幾何非線性因素影響后的穩(wěn)定安全系數(shù)為43.82,后者比前者降低了1%。由此可以看出,對(duì)于本橋來(lái)說(shuō),考慮幾何非線性影響對(duì)該系桿拱橋的穩(wěn)定安全系數(shù)影響很小,計(jì)算時(shí)可以直接采用第一類穩(wěn)定分析的結(jié)果。

        3.2.2 系桿拱材料非線性穩(wěn)定分析

        在計(jì)算分析模型中,考慮了拱肋鋼箱、主縱梁和橋面系鋼材的材料非線性,同時(shí)考慮了拱肋填充混凝土和混凝土橋面板的材料非線性。計(jì)算時(shí)鋼材和混凝土2種材料都按理想彈塑性材料考慮,鋼材和拱肋混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系[9]定義如下。

        (1)鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系

        Q370qD鋼材的屈服應(yīng)力為370 MPa。鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系曲線如下式表示。

        式中,σy和εy分別為鋼材屈服時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變值。

        (2)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系

        考慮到拱肋鋼箱對(duì)拱肋填充混凝土的套箍作用將提高混凝土延性,拱肋內(nèi)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用帶有下降段的拋物線數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬[4,5],其具體表達(dá)式如下所示

        在計(jì)算時(shí),模型中同樣只考慮橋梁結(jié)構(gòu)自身恒荷載的作用。利用上述定義的鋼材和拱肋鋼箱混凝土本構(gòu)關(guān)系曲線,采用拱橋第二類穩(wěn)定理論對(duì)該拱橋的穩(wěn)定性進(jìn)行材料非線性分析,圖4即為主拱肋拱頂截面處豎向位移的P-Δ曲線。其中:Δ為主拱肋拱頂截面處的豎向位移,K為計(jì)算模型中施加的荷載與基本荷載(恒載)Pt的比值,P-Δ曲線所計(jì)算K的最大值即為該系桿拱橋的穩(wěn)定安全系數(shù)。

        圖4 主拱肋拱頂截面豎向位移的P-Δ曲線

        從P-Δ曲線中可以看出:在初始計(jì)算加載時(shí),P-Δ曲線基本上呈線性變化趨勢(shì),當(dāng)所施加的荷載值達(dá)到該橋的極限失穩(wěn)荷載時(shí),材料進(jìn)入塑性狀態(tài),此時(shí)拱肋的位移迅速增大,拱頂處的P-Δ曲線基本上呈水平狀態(tài),結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)。計(jì)算結(jié)果表明:計(jì)入材料非線性因素影響時(shí)的穩(wěn)定安全系數(shù)為11.16,而系桿拱橋的第一類穩(wěn)定安全系數(shù)為44.27,其材料非線性穩(wěn)定安全系數(shù)只有第一類穩(wěn)定安全系數(shù)的1/4左右。由此可以看出,材料非線性對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)影響很大,在計(jì)算該系桿拱橋的穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí),材料非線性的影響一定不可忽略。

        3.2.3 系桿拱雙重非線性穩(wěn)定分析

        在計(jì)算時(shí),模型中同樣只考慮橋梁結(jié)構(gòu)自身恒荷載的作用。利用上述計(jì)算模型,考慮幾何和材料非線性同時(shí)計(jì)入計(jì)算模型中[10,11],圖5即為主拱肋拱頂截面處豎向位移的P-Δ曲線。其中:Δ為主拱肋拱頂截面處豎向位移,K為計(jì)算模型中施加的荷載與基本荷載(恒載)Pt的比值,P-Δ曲線所計(jì)算K的最大值即為該系桿拱橋的穩(wěn)定安全系數(shù)。

        圖5 主拱肋拱頂截面豎向位移的P-Δ曲線

        計(jì)算結(jié)果表明:考慮幾何材料雙重非線性的P-Δ曲線和只考慮材料非線性的P-Δ曲線性質(zhì)基本相同,而得到的幾何材料雙重非線性穩(wěn)定安全系數(shù)只有10.86,而系桿拱橋第一類穩(wěn)定安全系數(shù)為44.27,其幾何材料雙重非線性穩(wěn)定安全系數(shù)不足第一類穩(wěn)定安全系數(shù)的1/4。由此可以看出在計(jì)算大跨度系桿拱橋穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí),幾何非線性是次要影響因素,材料非線性是主要影響因素。因此,若要準(zhǔn)確得到該系桿拱橋的穩(wěn)定安全系數(shù),必須要計(jì)入材料非線性的影響。

        按照上述計(jì)算方法也分析了該系桿拱橋在荷載工況2~工況4作用下的非線性穩(wěn)定性,計(jì)算結(jié)果表明:該系桿拱橋在這些工況作用下的非線性穩(wěn)定安全系數(shù)相對(duì)于第一類穩(wěn)定安全系數(shù)都有相應(yīng)幅度的降低。

        4 結(jié)論

        利用ANSYS有限元計(jì)算軟件建立了有限元分析模型,并結(jié)合現(xiàn)有的拱橋穩(wěn)定分析理論,計(jì)算了大跨度鋼箱混凝土系桿拱橋的第一類穩(wěn)定安全系數(shù)和第二類非線性穩(wěn)定安全系數(shù),并得到如下結(jié)論。

        (1)在第一類穩(wěn)定性計(jì)算中,該系桿拱橋第一階失穩(wěn)模態(tài)為拱肋橫向反對(duì)稱失穩(wěn)。同時(shí)列車靜活載對(duì)該系桿拱橋的穩(wěn)定安全系數(shù)影響較大,而橫向風(fēng)荷載對(duì)該橋的穩(wěn)定安全系數(shù)的影響很小。

        (2)對(duì)于本橋來(lái)說(shuō),幾何非線性對(duì)穩(wěn)定安全系數(shù)的影響不是很明顯,在計(jì)算過(guò)程中可以不考慮幾何非線性的影響。

        (3)計(jì)入材料非線性因素影響對(duì)該系桿拱橋的穩(wěn)定安全系數(shù)影響很大。因此,在計(jì)算大跨度的類似系桿拱橋時(shí),一定要考慮材料非線性的影響,才能得到比較準(zhǔn)確可靠穩(wěn)定安全系數(shù)。

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