郭海洋， 董文秀

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

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鋼管混凝土拱與鋼管拱的穩(wěn)定性及抗震性分析

郭海洋， 董文秀

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

以某收費(fèi)站工程為背景建立有限元模型,分析鋼管拱結(jié)構(gòu)填充混凝土對(duì)其穩(wěn)定性的影響及混凝土的適宜填入量、線性和非線性因素對(duì)2種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響、結(jié)構(gòu)抗震性能用反應(yīng)譜和時(shí)程分析法。結(jié)果表明，鋼管拱結(jié)構(gòu)拱腳到拱跨約1/5部分灌入混凝土，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最好；綜合考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和支座受力情況，選擇適宜的矢跨比；相比鋼管拱結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土拱結(jié)構(gòu)受非線性因素影響較大；水平Y(jié)向地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響大于水平X向地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。

鋼管混凝土拱；鋼管拱；穩(wěn)定性；抗震性能

0 引 言

鋼管結(jié)構(gòu)憑借自身良好的抗壓抗扭抗彎、構(gòu)造簡單等一系列優(yōu)越性能,日益廣泛地運(yùn)用到大跨度空間拱形結(jié)構(gòu)中[1]。隨著理論研究不斷深入,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在螺旋配筋混凝土、勁性鋼筋混凝土以及鋼管結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來[2]。拱結(jié)構(gòu)破壞形式從性質(zhì)上可以分為平衡分岔失穩(wěn)、極值點(diǎn)失穩(wěn)[3]及跳躍失穩(wěn)[4];從分析方法上又可以分為線性屈曲分析[5-6]及非線性屈曲分析[7]。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)分析方法從時(shí)間先后順序可以分為靜力法、反應(yīng)譜法[8]及時(shí)程分析法[9]。

1 工程概況

某高速公路收費(fèi)站是一個(gè)落地式拱形鋼管結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)總長為183.6 m,拱跨度為170.6 m,高度為27 m,矢跨比為0.16,屋架寬度為24 m,拱腳間距為16 m。結(jié)構(gòu)所用的管材均為Q345-B,鋼管內(nèi)填充混凝土為C50;2個(gè)單拱之間采用截面為Φ700 mm×20 mm、Φ600 mm×20 mm、Φ500 mm×16 mm、Φ400 mm×16 mm、Φ350 mm×14 mm、Φ300 mm×12 mm的水平支撐相連;拉桿為Φ300 mm×12 mm;兩端懸挑屋面采用Φ500 mm×16 mm的側(cè)向支撐,屋架兩邊懸挑支撐支座節(jié)點(diǎn)采用固結(jié)形式;工程支座采用鉸接支座形式。建筑效果圖如圖1所示。

拱上弦人行恒載為2 kN/m2,活載為3.5 kN/m2;屋架恒載為1.0 kN/m2,活載為0.5 kN/m2;基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2;溫度荷載采用正負(fù)溫30 ℃;支座位移荷載沿拱跨縱向布置,外移50 mm。本工程抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g),設(shè)計(jì)地震分組為第一組,場地類別為二類,場地特征周期為0.35 s,鋼管拱阻尼比為0.02,鋼管混凝土拱阻尼比為0.035。

圖1 建筑效果圖

2 有限元分析

本文為了考察鋼管拱和鋼管混凝土拱這2種不同結(jié)構(gòu)類型的穩(wěn)定性及混凝土灌入量對(duì)鋼管混凝土拱的穩(wěn)定性影響,對(duì)比分析4種模型。模型1管徑為2 000 mm,屋架以下壁厚為35 mm,屋架以上壁厚為30 mm,不灌入混凝土;模型2、模型3、模型4管徑為1 600 mm,壁厚為20 mm;模型2混凝土灌入量約為1/5跨;模型3混凝土灌入量約為1/3.5跨;模型4混凝土灌入量為全跨。

2.1 線性屈曲分析

本文模型屈曲分析工況取恒載活載標(biāo)準(zhǔn)組合,即D+L。軟件分別對(duì)上述模型進(jìn)行屈曲穩(wěn)定分析,計(jì)算結(jié)構(gòu)前八階的線性屈曲因子,結(jié)果見表1所列。

表1 線性屈曲分析的屈曲因子

由表1可知,4種模型的線性穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。與模型1相比,模型2在減小管徑壁厚的情況下,屈曲因子反而增大30%,穩(wěn)定性增強(qiáng)。這是因?yàn)樵谕夂奢d作用下,主要承受壓力的拱桿件在被混凝土填實(shí)后,鋼管和受到鋼管緊箍作用的混凝土一起承受壓力;與模型2采用相同管徑和壁厚的模型3、模型4都增加混凝土的灌入量,然而結(jié)構(gòu)的屈曲因子分別減小17%和48%,即穩(wěn)定性開始下降。這是因?yàn)閯偠入m然增加,但結(jié)構(gòu)的自重也大大增加,這對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是不利的,尤其是這種大跨度拱結(jié)構(gòu)。

為了研究模型1、模型2矢跨比對(duì)鋼管拱和鋼管混凝土拱穩(wěn)定性的影響,在計(jì)算模型矢跨比0.16的基礎(chǔ)上,通過改變拱高實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)矢跨比的改變,矢跨比的取值分別為0.12、0.14、0.16、0.18、0.20、0.22,不同矢跨比的屈曲因子見表2所列。

表2 不同矢跨比下的屈曲因子

由表2可以看出,模型1、模型2隨著矢跨比的增加,屈曲因子都是先增加后減少。模型1的矢跨比為0.14時(shí),屈曲因子達(dá)到最大值,實(shí)際工程的屈曲因子比其小約9%,矢跨比增加到0.22時(shí),由于自重增加重心升高,結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不符合規(guī)范要求;模型2的矢跨比為0.18時(shí),屈曲因子達(dá)到最大值,且結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性依然符合規(guī)范要求。

不同矢跨比下,模型1、模型2支座反力見表3、表4所列。由表3可以看出,模型1隨著矢跨比減小,支座反力的水平分力增大,豎直分力減小,變化比較明顯的是水平分力,實(shí)際工程的水平力比矢跨比為0.14時(shí)的水平力小20%。

表3 不同矢跨比下模型1支座反力 kN

表4 不同矢跨比下模型2支座反力 kN

由表4可以看出,模型3結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性隨矢跨比的變化趨勢和模型1相同。結(jié)合表3數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn),由于模型2中灌入了混凝土,自重增加,鋼管混凝土拱的支座反力大于鋼管拱,增大了基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要求。但是模型2中拱腳處灌入混凝土,使結(jié)構(gòu)底部的剛度和強(qiáng)度也增加。

2.2 非線性屈曲分析

本文模型采用荷載控制方式,將荷載施加到10倍的(D+L),考慮P-Δ效應(yīng)和大位移,對(duì)模型1和模型2進(jìn)行非線性屈曲分析。監(jiān)測拱頂節(jié)點(diǎn)1 590的豎向位移,得出2種結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線,如圖2所示。

圖2 2種結(jié)構(gòu)模型的荷載-位移曲線

由圖2可以看出,結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲時(shí),其計(jì)算結(jié)果不收斂,此時(shí)曲線幾乎平行于X軸,即使不增加荷載,位移也是不斷增加,非線性屈曲的臨界荷載為縱軸對(duì)應(yīng)荷載的最大值。

2.3 反應(yīng)譜與時(shí)程分析

由于實(shí)際中屋架弦桿受力較小,故主要選擇拱桿件,屋架不予考慮,支座選取左拱腳。反應(yīng)譜工況取縱向地震作用、橫向地震作用、縱向+豎向地震作用、橫向+豎向地震作用,其中水平地震與豎向地震同時(shí)輸入。

在進(jìn)行時(shí)程分析選取強(qiáng)震記錄時(shí),選取EL-Centro、Taft、蘭州波1這3條典型地震波。鋼管拱和鋼筋混凝土拱在不同地震波及反應(yīng)譜中的支座反力,見表5、表6所列。

由表5、表6可以看出，2種結(jié)構(gòu)的時(shí)程與反應(yīng)譜分析支座反力的比值均在65%～135%之間,滿足規(guī)范要求。

表5 模型1支座反力 kN

表6 模型2支座反力 kN

鋼管混凝土拱和鋼管拱截面的剪力彎矩比較小,主要承受軸力,因此,只是針對(duì)軸力進(jìn)行分析,時(shí)程分析取3種地震波的最大值。模型1、模型2在時(shí)程和反應(yīng)譜分析方法下,控制截面的軸力如圖3、圖4所示。由于篇幅有限,位移圖不再列出。

圖3 模型1在反應(yīng)譜和時(shí)程分析下的地震作用力

圖4 模型2在反應(yīng)譜和時(shí)程分析下的地震作用力

由圖3、圖4可知,在各向地震作用下,鋼管拱結(jié)構(gòu)與鋼管混凝土拱結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化趨勢大致相同。在X與XZ向地震作用下,從拱腳到拱頂截面軸力值逐漸減小;在Y與YZ向地震作用下,拱腳處的截面軸力值最大,從拱腳到拱頂截面軸力值基本上是先減小后增大,豎向地震參與使拱頂附近桿件軸力值變化較為明顯。因此,進(jìn)行此類鋼管拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),尤其要注意拱腳和拱頂設(shè)計(jì)。

在進(jìn)行鋼管混凝土拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),由于填充混凝土后拱腳處內(nèi)力增大,應(yīng)特別注意拱腳設(shè)計(jì)。對(duì)于這2種結(jié)構(gòu),橫向地震影響大于縱向地震影響,這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)橫向剛度小,比較脆弱。

在對(duì)這2種結(jié)構(gòu)進(jìn)行位移計(jì)算時(shí),發(fā)現(xiàn)2種結(jié)構(gòu)水平X向位移非常相近,從拱腳到拱頂,位移先增大后減小;而Y向位移不斷增大,拱頂附近鋼管混凝土拱結(jié)構(gòu)的Y位移值比鋼管拱小,這是由于鋼管拱管徑大,Y向地震在拱頂處效應(yīng)明顯。所以,X向地震作用時(shí),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要加強(qiáng)離拱腳1/5處的構(gòu)造措施,Y向地震作用時(shí)要加強(qiáng)拱頂處的強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

(1) 本文通過計(jì)算,拱腳到拱跨約1/5灌入混凝土,對(duì)結(jié)構(gòu)最有利。因?yàn)榇藭r(shí)結(jié)構(gòu)的自重增加不大,而穩(wěn)定性增強(qiáng)了30%,同時(shí)又可以減小鋼管的管徑和壁厚,節(jié)約鋼材,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(2) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)結(jié)構(gòu)所在位置地基的實(shí)際情況,綜合考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和支座受力情況,選擇適宜的矢跨比。

(3) 考慮幾何非線性因素時(shí),結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性都降低,尤其是鋼管混凝土拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低了35%,因此,在進(jìn)行鋼管混凝土拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),要考慮非線性因素對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

(4) 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行反應(yīng)譜和動(dòng)力時(shí)程分析時(shí)發(fā)現(xiàn),因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)縱橫向剛度相差大,橫向剛度小,水平Y(jié)向地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響,大于水平X向地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響,故地震響應(yīng)比較明顯;豎向地震作用參與,位移影響可以忽略,但是對(duì)內(nèi)力影響較大,因此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中不能忽視豎向地震作用。

[1] 王 俊,趙基達(dá),藍(lán) 天,等.大跨度空間結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程與展望[J].建筑科學(xué),2013,29(11):2～10.

[2] 楊 杰,稅 強(qiáng).鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究發(fā)展概況[J]. 四川建筑,2008,28(5):174～175.

[3] 王新敏,陳 偉,劉慶寬.桿系結(jié)構(gòu)非線性靜力分析的數(shù)值模擬[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),2004,17(2):5～10.

[4] 郭彥林,郭宇飛,盛和太.鋼管桁架拱的穩(wěn)定性能及應(yīng)用[J].空間結(jié)構(gòu),2008,14(4):41～49.

[5] 于會(huì)超.某鐵路橋預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)箱梁計(jì)算和滿堂支架驗(yàn)算分析[D].天津:天津大學(xué),2010.

[6] 高文普,彭宣茂.鋼支架支撐結(jié)構(gòu)的屈曲分析及優(yōu)化研究[J].低溫建筑技術(shù),2014,37(2):84～86.

[7] 楊維國,谷 鵬,王耀峰,等.某大型體育場桁架拱罩棚整體穩(wěn)定性分析[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2011,26 (1):13～16,26.

[8] 安忠海.車輛荷載作用下曲線鋼-混凝土組合箱梁橋的動(dòng)力性能研究[D].西安:長安大學(xué),2009.

[9] 吳小峰,孫啟國,狄杰建,等.抗震分析反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法數(shù)值仿真比較[J].西北地震學(xué)報(bào),2011,33(3):275～278,304.

2016-04-25

郭海洋(1990-)，男，安徽蚌埠人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生．

TU392.3

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1673-5781(2016)03-0368-04