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        內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾先鋒橋整體穩(wěn)定性分析

        2019-12-19 02:37:34張世春
        城市道橋與防洪 2019年12期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)分析

        張世春

        (同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團)有限公司,上海市200092)

        0 引言

        近年來,科學(xué)技術(shù)的不斷進步,極大地促進了交通工程和建筑工程的理論研究與工程技術(shù)的發(fā)展,使得高強而輕質(zhì)的建筑材料、大跨度橋梁、高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)等不斷涌現(xiàn)。結(jié)構(gòu)設(shè)計理論早已超出只按靜力和彈性理論進行線性分析的時期,并發(fā)展到按動力和彈塑性理論進行非線性分析的階段,對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題的處理也變得越來越重要。由于大跨度拱橋的整體穩(wěn)定性對結(jié)構(gòu)安全起著決定性作用,因而須對其進行結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析。

        1 拱橋空間穩(wěn)定性理論

        拱橋的穩(wěn)定性問題從空間的失穩(wěn)形態(tài)上分為面內(nèi)失穩(wěn)和面外失穩(wěn)。從失穩(wěn)的受力性質(zhì)可分為兩類:第一類為平衡分支問題,第二類為極值點問題。拱橋是以受壓為主的壓彎結(jié)構(gòu),嚴(yán)格來說,拱的失穩(wěn)皆為第二類失穩(wěn)。但是拱的第一類穩(wěn)定性問題,力學(xué)情況單純明確,它的臨界荷載可近似代表第二類穩(wěn)定問題的上限,所以無論在理論分析中還是在工程應(yīng)用上都占有重要地位。

        1.1 線性穩(wěn)定性分析

        線性穩(wěn)定性法是假定結(jié)構(gòu)和材料均是線性的,結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與外荷載成比例關(guān)系,把結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析轉(zhuǎn)化為求解特征值問題,得出的最小特征值就是失穩(wěn)臨界荷載。 在臨界荷載下,拱橋結(jié)構(gòu)線性屈曲的平衡方程為:

        式中:[KD]為彈性剛度矩陣;[KG]為幾何剛度矩陣,只與構(gòu)件的軸向力有關(guān);{δ}為單元節(jié)點位移增量;λ 為荷載穩(wěn)定系數(shù)。式(1)為特征值問題,其最小特征值在工程上才有意義。應(yīng)用各種迭代方法,如逆矢量迭代法、子空間迭代法等都可以很方便的求解。

        1.2 幾何非線性穩(wěn)定性分析

        拱橋的幾何非線性穩(wěn)定性分析主要是指在荷載作用下,拱軸線與荷載壓力線的偏離問題。因為這種偏離是不可避免的,如施工階段,壓力線隨架設(shè)過程的不斷變化、施工預(yù)拱度的設(shè)置、各種施工偏差和拱軸線的彈性壓縮等。拱橋的幾何非線性屬于彈性大變形問題,采用全量方法求解,概念明確,易于理解。幾何非線性屈曲法假定材料是線性的,考慮結(jié)構(gòu)的梁柱效應(yīng)及大位移效應(yīng),通過增量和迭代相結(jié)合的方法求解失穩(wěn)臨界荷載。

        拱橋結(jié)構(gòu)的非線性平衡方程可寫為:

        式中:[K0]為小位移線性剛度矩陣;[KL]為大位移剛度矩陣;[Kσ]為初應(yīng)力剛度矩陣;{F}為等效節(jié)點荷載;{δ}為節(jié)點位移。另外,[KL]、[Kσ]是{δ}的函數(shù),所以式(2)為非線性方程組。

        非線性方程組的求解采用荷載增量法。荷載從零開始,按照某種增量形式逐步增大到λi{F}。當(dāng){δ}開始發(fā)散時,λi{F}即為拱橋的極限承載力。通常將非線性方程組寫成如下形式:

        式中:λn為荷載因子,對其可以假定0=λ0<λ1<λ2<···<λi<λn。

        在每一個荷載步內(nèi)對非線性方程(3)進行線性化,可得增量形式的平衡方程:

        式中:{Δδ}為節(jié)點位移增量;{ΔF}為等效節(jié)點荷載增量。

        可以設(shè)λn=100(一般下承式拱橋達(dá)到極限承載力時的穩(wěn)定系數(shù)不大于10)。在每一個載荷步內(nèi),為了改進求解精度,可以應(yīng)用牛頓法進行迭代。結(jié)構(gòu)的極限承載力在開始發(fā)散的荷載和此前一級已收斂的荷載之間。如荷載增量步分得較細(xì),可以偏于安全地認(rèn)為是前一級荷載,而避免更加復(fù)雜的計算。

        1.3 材料非線性穩(wěn)定性分析

        考慮材料非線性的分析與幾何非線性分析基本上是一致的,只不過此時要不斷修正各單元的中性軸及材料參數(shù)。梁單元的材料非線性分析模型主要有兩類:不分層梁和分層梁,其中不分層梁模型主要用于規(guī)則的截面,如矩形、圓形等;分層梁單元模型則避免了上述的局限性,其截面形式可任意,而且不同梁層可具有不同材質(zhì)。

        2 國內(nèi)規(guī)范驗算要求

        2.1 鋼筋混凝土拱肋

        大跨徑拱橋應(yīng)驗算拱頂、拱跨3/8處、拱跨1/4處和拱腳4個關(guān)鍵截面;對于中小跨徑拱橋,拱跨1/4處截面可不予驗算;特大跨徑拱橋除上述4個關(guān)鍵截面外,需視截面配筋情況,另外選擇控制截面進行驗算。

        2.1.1 縱向穩(wěn)定性

        將拱肋換算為相當(dāng)計算長度的壓桿,按軸心受壓構(gòu)件承載力計算公式驗算其穩(wěn)定性:

        式中:γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);Nd為拱肋軸向力設(shè)計值;φ 為軸壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù),按表1取用;fcd為拱肋混凝土材料抗壓強度設(shè)計值;A為拱肋的截面面積,當(dāng)縱向鋼筋配筋率大于3%時取凈截面面積;f'sd為縱向鋼筋抗壓強度設(shè)計值;A's為縱向鋼筋截面面積。

        2.1.2 橫向穩(wěn)定性

        當(dāng)拱的寬度小于計算跨徑的1/20時,應(yīng)驗算拱肋的橫向穩(wěn)定。計算以橫系梁聯(lián)結(jié)的拱肋橫向穩(wěn)定時,可近似將其視為長度等于拱軸線長度的平面桁架,根據(jù)其支承條件,按受壓組合構(gòu)件確定其橫向穩(wěn)定計算長度和長細(xì)比。

        在確定橫向穩(wěn)定計算長度和長細(xì)比后,可由表1確定軸壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)φ,則拱肋的橫向穩(wěn)定性可按式(5)進行驗算。

        2.2 鋼拱肋

        2.2.1 實腹式軸壓構(gòu)件

        實腹式軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定性應(yīng)按式(6)計算:

        式中:N為構(gòu)件軸心壓力;φ 為軸壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)(取截面兩主軸穩(wěn)定系數(shù)的較小者),應(yīng)根據(jù)構(gòu)件的長細(xì)比、鋼材屈服強度和截面分類確定;f為抗拉(壓)強度設(shè)計值。

        2.2.2 實腹式單向壓彎構(gòu)件

        彎矩作用在對稱軸平面內(nèi)(繞軸)的實腹式壓彎構(gòu)件,其穩(wěn)定性應(yīng)按下列規(guī)定計算。

        表1 鋼筋混凝土軸壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)φ

        (1)彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性:式中:N'Ex為參數(shù),N'Ex=π2EA(1.1λx2),其中的λx為繞x軸的長細(xì)比,E為彈性模量;φx為彎矩作用平面內(nèi)的軸壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù);Mx為計算構(gòu)件的最大彎矩;W1x為彎矩作用平面內(nèi)對較大受壓纖維的毛截面抵抗矩;γx為塑性發(fā)展系數(shù),本文中取1.05;βmx為等效彎矩系數(shù),本文中取1.0。

        (2)彎矩作用平面外的穩(wěn)定性:

        式中:φy為彎矩作用平面外的軸壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù);φb為均勻彎曲的受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定系數(shù),對于閉口截面取1.0;η 為截面影響系數(shù),對于閉口截面取0.7;βtx為等效彎矩系數(shù),本文中取1.0。

        2.2.3 實腹式雙向壓彎構(gòu)件

        彎矩作用在2個主平面內(nèi)的雙軸對稱實腹式工字形(含H形)和箱形(閉口)截面的壓彎構(gòu)件,其整體穩(wěn)定性應(yīng)按式(9)、式(10)計算:

        式中:φbx、φby取1.0;γx、γy取1.05;βmx、βmy、βtx、βty取1.0。

        3 巴彥淖爾先鋒橋

        3.1 工程概況

        巴彥淖爾先鋒橋為中承式系桿拱橋,是內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾先鋒路跨越黃河總干渠的重要節(jié)點。其主橋跨徑布置為25 m+100 m+25 m,全長150m,橋?qū)?5.1m。該橋采用鋼-混凝土組合梁,鋼縱梁及邊橫梁為H形截面,中橫梁及端橫梁為箱形截面。主拱為梯形變截面鋼箱梁并向內(nèi)傾斜,主拱間設(shè)置2道風(fēng)撐,邊拱為混凝土結(jié)構(gòu),主、邊拱均與拱腳固結(jié)。全橋共設(shè)40根吊桿和12根系桿,吊桿及系桿均采用鋼絞線。具體橋型見圖1、圖2。

        圖1 橋梁立面圖(單位:cm)

        3.2 有限元模型

        圖2 橋梁截面圖(單位:cm)

        采用有限元軟件Midas/Civil對該橋進行建模,模型中吊桿及系桿采用桁架單元,橋面板及裝飾拱采用板單元,其余均采用梁單元模擬;混凝土板與鋼梁之間采用彈性連接里的剛接,以模擬板梁之間的剪力件;模型中考慮樁土相互作用,采用節(jié)點彈性支承模擬,并利用m法確定其土彈簧系數(shù)。本結(jié)構(gòu)模型共有節(jié)點6 440個,桁架單元388個,梁單元3 806個,板單元2 064個,截面類型123個,一般支承80個,節(jié)點彈性支承2 192個,彈性連接1 181個,剛性連接316個。

        有限元結(jié)構(gòu)模型見圖3。

        圖3 有限元結(jié)構(gòu)模型

        本文僅對主橋進行了模擬,為考慮引橋部分的影響,將其半跨自重折算成橫向線荷載作用于蓋梁,計算得線荷載qy=172.57 kN/m;二期恒載(6 cm防水混凝土、4 cm瀝青鋪裝,容重分別取25 kN/m3、17.65 kN/m3)qh=(0.06×25+0.04×17.65)=2.206 kN/m2;將吊桿半徑擴大至100倍,即將吊桿剛度放大至10 000倍,再將吊桿密度縮小10 000倍,以保證重量不變,在此情況下計算恒載作用下的吊桿、系桿內(nèi)力,并將所得內(nèi)力輸入吊桿和系桿作為初始內(nèi)力;假設(shè)初始溫度為20℃,溫度荷載僅考慮整體升溫20℃及整體降溫30℃,溫度梯度不予考慮;移動荷載包括車道荷載及人行荷載,按規(guī)范予以施加,且由軟件自動組合以形成最不利布置。

        3.3 整體穩(wěn)定性分析

        3.3.1 邊拱規(guī)范公式驗算

        邊拱采用C40混凝土,抗壓強度設(shè)計值fcd=19.1MPa。邊拱截面為平行四邊形,寬度b=1.8m,高度自端部向拱腳漸變增大。邊跨計算跨徑L為25m,邊拱弧長La約為26m。驗算截面取跨中和拱腳處2個截面。

        邊拱縱向穩(wěn)定性須滿足式(5),此處將該式進行簡化,忽略鋼筋作用,即:

        該橋設(shè)計安全等級為一級,γ0取1.1。邊拱為無鉸拱,則l0=0.36La=9.36m,l0/b=5.2,根據(jù)表1查得φ=1。軸向力設(shè)計值Nd從Midas計算結(jié)果中查取,具體計算結(jié)果見表2。

        表2 邊拱縱向穩(wěn)定性計算表

        由表2可知,邊拱縱向穩(wěn)定性滿足要求,且富余量很大。

        由于混凝土邊拱寬度b>L/20=1.25m,因此無須驗算邊拱的橫向穩(wěn)定性。

        3.3.2 主拱規(guī)范公式驗算

        主拱采用Q345號鋼,抗拉(壓)強度設(shè)計值f為295MPa(板厚30mm、35mm)、265MPa(板厚40mm、50mm),彈性模量E為2.06×108kN/m2。主拱為箱型截面,且截面大小不等,從拱頂至拱腳逐漸變化。主跨計算跨徑L為100m,主拱弧長La約為125m。驗算截面取拱頂、拱跨3/8處、拱跨1/4處和拱腳4個截面。

        按照混凝土拱肋的處理思路,將鋼主拱換算為相當(dāng)計算長度的壓桿。由于主拱為無鉸拱,且無橫豎向支撐,則計算長度l0x=l0y=0.36La=45m。主拱承受著雙向彎矩作用,因而應(yīng)對其進行雙向壓彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定性驗算。對于雙軸對稱實腹式箱形截面,其整體穩(wěn)定性驗算應(yīng)滿足式(9)、式(10)。本文中的主拱為單軸對稱箱形截面,在此將其簡化為雙軸對稱截面,即主拱寬度取上下截面寬度的平均值。

        主拱長細(xì)比按公式λ=l0/i計算。對于繞x軸的長細(xì)比λx,由于主拱截面不均勻,因而λx取主拱繞x軸的最小回轉(zhuǎn)半徑所對應(yīng)的長細(xì)比。經(jīng)各個截面對比計算,λx應(yīng)取76.16(見表3,其中的Ix為慣性矩)。主拱截面對x軸屬b類截面,故由λx=76.16查表得,φx=0.606。對于繞y軸的長細(xì)比λy,同樣由于主拱截面不均勻,因而λy取主拱繞y軸的最小回轉(zhuǎn)半徑所對應(yīng)的長細(xì)比。經(jīng)各個截面對比計算,λy應(yīng)取71.08(見表4,其中的Iy為慣性矩)。主拱截面對y軸屬b類截面,故由λy=71.08查表得,φy=0.745。軸向壓力N和彎矩Mx、My從Midas計算結(jié)果中查取,整體穩(wěn)定性的具體計算結(jié)果見表5。表5中的

        表3 長細(xì)比λx 計算表

        表4 長細(xì)比λy 計算表

        表5 主拱整體穩(wěn)定性計算表

        由表5可知,各個關(guān)鍵截面的S1和S2均小于抗拉(壓)強度f,故主拱的整體穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求。

        3.3.3 Midas 屈曲分析

        由于Midas/Civil中的屈曲分析屬于線性分析,故全橋整體穩(wěn)定分析中不考慮溫度荷載,且將模型中拱腳、拱頂軸力最大時所對應(yīng)布置的移動荷載轉(zhuǎn)化為靜力荷載,然后在屈曲分析控制中對各靜力荷載進行組合并對模型進行分析,計算出拱橋前10階屈曲模態(tài)和相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)。

        計算過程中,自重、二期恒載以及移動荷載均設(shè)置為變量。所得拱橋前5階屈曲模態(tài)見圖4,拱橋前10階穩(wěn)定安全系數(shù)的計算結(jié)果見表6。

        圖4 拱橋前5 階屈曲模態(tài)圖

        表6 拱橋前10 階穩(wěn)定安全系數(shù)表

        從模型屈曲分析的計算結(jié)果可以看出,結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)遠(yuǎn)大于《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》(TB 10002—2017)規(guī)定的4~5,故本結(jié)構(gòu)不會發(fā)生整體失穩(wěn),與規(guī)范公式驗算得出的結(jié)論一致。

        4 結(jié) 語

        本文通過規(guī)范公式驗算和Midas屈曲分析兩種方法,對內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾中承式系桿拱橋進行了整體穩(wěn)定性分析。分析結(jié)果表明,該橋設(shè)計滿足整體穩(wěn)定性要求。并且從邊拱整體穩(wěn)定的計算結(jié)果來看,其富余量很大。這是由于主拱和邊拱與基礎(chǔ)固結(jié),而基礎(chǔ)水平位移量相對很小,因此主拱拱腳處的水平推力難以傳至邊拱。若將拱腳與承臺以特殊支座連接,或弱化承臺下樁頂部的縱向抗側(cè)剛度,以使水平推力更多地傳至邊拱,則可達(dá)到充分利用邊拱混凝土抗壓性能的效果。

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