高鴿子

西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院

大跨度鋼箱梁斜拉橋施工階段幾何非線性分析

高鴿子

西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院

作為一種高次超靜定柔性受力體系，與連續(xù)梁和桁架梁相比較，斜拉橋特別是大跨度斜拉橋，幾何非線性影響較為突出，而且影響因素也較多。本文以主跨跨徑680m的雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋?yàn)槔?，采用Midas Civil建立有限元模型，對斜拉橋的在溫度荷載和車輛荷載作用下幾何非線性和線性計(jì)算結(jié)果做了詳盡的對比分析。線性計(jì)算時(shí)，模型中的主梁和主塔采用梁單元，斜拉索采用桁架單元來模擬；非線性計(jì)算時(shí)，模型中的主梁和主塔采用梁單元，斜拉索采用索單元來模擬。

斜拉橋；幾何非線性；有限元；靜力分析

1 概述

斜拉橋是塔、梁、索三種基本構(gòu)件組成的纜索承重結(jié)構(gòu)體系，屬于高次超靜定柔性結(jié)構(gòu)[1]。與連續(xù)梁和桁架梁的結(jié)構(gòu)分析相比較，幾何非線性影響突出且影響因素多[2][3]。特別是對特大跨度的斜拉橋來說，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)斜拉索較長，索自重產(chǎn)生的垂度大，索的伸長量與索內(nèi)拉力不成比例關(guān)系；(2)整個(gè)結(jié)構(gòu)的幾何變形也較大，大變形問題很突出。(3)軸向力與彎矩相互作用的影響，使得大跨度斜拉橋的幾何非線性分析顯得較為復(fù)雜。因此，對斜拉橋進(jìn)行幾何非線性分析是必要的。

本文以某長江大橋?yàn)槟Ｐ?，用非線性有限元方法對鋼箱梁斜拉橋在施工階段和使用階段由汽車活載及溫致效應(yīng)所導(dǎo)致的幾何非線性效應(yīng)分別進(jìn)行了分析。

2 模型介紹

斜拉橋整體結(jié)構(gòu)模型可分為幾何模擬、剛度模擬、邊界模擬、力的模擬、施工模擬這五個(gè)方面[4]。采用有限元分析軟件Mi?das Civil軟件進(jìn)行建模，具體單元選擇介紹如下。在幾何非線性計(jì)算中，Midas采用了CR列式[4]，這種方法有效地考慮了梁端大轉(zhuǎn)角的情況。

該長江大橋主橋上部結(jié)構(gòu)為雙塔雙索面5跨連續(xù)鋼箱梁斜拉橋，采用半漂浮結(jié)構(gòu)體系。主梁采用正交異性橋面板流線型扁平鋼箱梁，斜拉索采用平行鋼絞線拉索。斜拉索在鋼箱梁上的錨固采用了錨拉板結(jié)構(gòu)形式。橋塔采用組合式橋塔，分為上中下三部分。下部是整體箱形塔墩、上部為鉆石型鋼筋混凝土塔架，橫梁將塔柱聯(lián)成整體。模型如下。

圖1 全橋有限元模型

2.1 斜拉索單元

在線性計(jì)算時(shí)，采用桁架單元模擬斜拉索單元。僅考慮索單元引起的非線性影響時(shí)采用Ernst修正彈性模量的方法模擬多單元[2][3]，當(dāng)考慮到幾種幾何非線性因素共同作用時(shí)，采用懸鏈線索單元來模擬。

2.2 橋塔單元

斜拉橋主塔模擬方法較為單一，即將橋塔視為理想的抗彎、抗剪、抗扭和抗軸力的均勻構(gòu)件，采用三維梁單元來模擬。塔單元的劃分不宜太粗，通常為3m到4m為一個(gè)單元。

2.3 主梁

本文中該橋主梁采用閉口鋼箱梁，有限元模型選用“魚骨”模式。該方法的特點(diǎn)是，用位于截面扭轉(zhuǎn)中心的梁單元模擬主梁，主梁的剛度(豎向、橫向撓曲剛度，扭轉(zhuǎn)剛度)和質(zhì)量(平動(dòng)質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)都集中在中間節(jié)點(diǎn)上，主梁與斜拉索之間通過主梁橫向伸出的準(zhǔn)剛性單元或剛性單元來連接，幾何模式如同“魚骨”[5][6]。

3 施工階段幾何非線性分析

考慮收縮徐變，分析施工階段幾何非線性，計(jì)算中，將收縮徐變和幾何非線性效應(yīng)進(jìn)行了耦合計(jì)算，按照實(shí)際的施工過程對斜拉橋進(jìn)行了正裝計(jì)算。并對主梁彎矩、撓度、應(yīng)力，主塔彎矩、順橋向位移、應(yīng)力，成橋索力在考慮非線性和不考慮非線性兩種情況下進(jìn)行了對比分析。

從線性和非線性計(jì)算的對比結(jié)果可以看出，考慮非線性時(shí)，主梁彎矩最大處增大了8.35%，上緣應(yīng)力最大處減小了2.14%，主梁下緣應(yīng)力最大處增大了4.32%，主梁跨中豎向位移增大了7.07%。主梁軸力基本沒有變化，但彎矩變化較大。這是由于斜拉橋主梁是受壓為主的構(gòu)件，由于斜拉橋斜拉索在主梁上產(chǎn)生了巨大的軸向力，雖然主梁彎矩變化較大，但是軸力變化較小，所以主梁的應(yīng)力變化較小。

南主塔在考慮非線性影響下，最大彎矩增大了20.22%；北塔在考慮非線性影響下，最大彎矩增大了11.1%；南塔在考慮非線性情況下最大位移處增大了11.21%；北塔在考慮非線性影響下，最大位移處增大了0.21%；在軸力和應(yīng)力方面，南北主塔的變化幅度均較小，不超過1%。出現(xiàn)這種情況的主要原因是由于主塔是壓彎構(gòu)件，

4 結(jié)論

本文結(jié)合某大跨鋼箱梁斜拉橋施工過程及使用階段結(jié)構(gòu)反應(yīng)中的幾何非線性影響進(jìn)行了分析，通過對主梁彎矩、撓度、應(yīng)力，主塔彎矩、應(yīng)力、順橋向位移，成橋索力在考慮非線性和不考慮非線性兩種情況下進(jìn)行了對比分析，得出以下結(jié)論：

施工階段，考慮非線性情況下斜拉橋應(yīng)力變化幅度在5%以內(nèi)，但是主梁和主塔的位移變化較大，在施工控制中應(yīng)該考慮非線性影響下的位移變化情況。

[1]鄒循華.大跨徑鋼箱梁斜拉橋的靜力幾何非線性分析研究[D].南昌大學(xué),2008.

[2]王應(yīng)良.大跨度斜拉橋考慮幾何非線性的靜、動(dòng)力分析和鋼箱梁的第二體系應(yīng)力研究[D].西南交通大學(xué),2000.

[3]林元培.斜拉橋[M].人民交通出版社,1996.

[4]北京Midas技術(shù)有限公司.Midas使用手冊,2000.

[5]周上君.斜拉橋非線性靜力分析[J].橋梁建設(shè),1982.

[6]胡文輝.潤揚(yáng)長江公路大橋北汊斜拉橋施工控制[D].東南大學(xué),2004.