汪繼文 葉惠忠 潘興虎 周愉濤 盧彭真

摘要：為了解時變和動力效應耦合作用下的鋼管混凝土拱橋的受力性能，文章以跨徑布置為（30+80+30）m的某鋼管混凝土拱橋為依托工程，采用數值積分和有限元方法，建立較為精確的空間有限元模型，系統(tǒng)地研究大跨度鋼管混凝土拱橋結構在動力和時間效應耦合作用下的受力性能。分析結果表明：在收縮徐變和動力效應的耦合作用下，鋼管混凝土拱橋的受力更為復雜，其內力值較未考慮耦合作用的情況大，且放大效應較明顯，因此在鋼管混凝土拱橋的結構設計和驗算中應充分考慮時變和動力效應的耦合作用。

關鍵詞：鋼管混凝土拱橋;有限元分析;時間效應;動力效應;受力性能

0 引言

鋼管混凝土拱橋具有施工快、承載力好、經濟效益高等優(yōu)點[1]。近些年來，不少學者對大跨度鋼管混凝土拱橋的時間效應及動力效應展開了較為深入的研究;王元豐[2-3]和泮以龍[4]等分別對鋼管混凝土構件和鋼管混凝土拱橋的徐變進行了研究;王少欽等[5]對移動車輛作用下橋梁的動力反應進行研究;李清海等[6]研究了在車輛荷載作用下橋梁結構力響應問題?，F有研究成果中多是將收縮徐變和動力效應對結構承載力影響分開考慮，并研究各自的處理方法，而忽略了對時變和動力效應耦合作用下的受力性能的研究。然而由于鋼管混凝土拱橋在實際運營過程中會受到鋼管混凝土的收縮徐變和車輛移動荷載的同時作用，這二者之間是否會發(fā)生耦合效應，甚至加速拱橋劣化，尚處于研究的空白區(qū)域。

針對上述問題，本文依托永寧江2號大橋工程，通過對比分析選擇較為合適的收縮徐變預測模型，并以此建立ANSYS全橋模型，模擬分析該橋十年以內的混凝土收縮徐變下的位移，并分別對其核心混凝土和鋼管應力變化進行了研究。

1 工程概況及有限元模型的建立

永寧江2號大橋為飛鳥式鋼管混凝土拱，橋跨徑布置為（30+80+30）m，全寬64.6 m;80 m中跨采用中承式鋼管混凝土拱肋，拱軸線采用二次拋物線線形;拱橋矢高為20 m，矢跨比為1/4，凈跨徑為74.75 m;拱肋截面呈寬啞鈴形，其中鋼管和平聯壁厚為24 mm，鋼管內部填充C50微膨脹混凝土。[=XQS（]基于時變和動力耦合作用的鋼管混凝土拱橋受力性能研究/汪繼文，葉惠忠，潘興虎，周愉濤，盧彭真[=JP2] 本文采用ANSYS15.0軟件建立了鋼管混凝土拱橋的有限元模型，對其拱肋核心混凝土進行了成橋十年內的收縮徐變效應模擬計算。借鑒以往鋼管混凝土拱橋有限元建模方法[1，7]，本研究采用Beam188空間梁單元模擬主拱肋鋼管及混凝土、橫梁、縱梁、風撐、立柱等結構，采用link8單元模擬拱橋的系桿和吊桿之間的聯系，而立柱和橫梁之間的聯系則采用combine14模擬。鋼管和混凝土單元均采用共節(jié)點的形式建立。其中鋼管和核心混凝土的彈性模量分別采用實際的材料特性，保證截面應力非平均化，以真實反映截面的實際受力狀態(tài)。全橋模型如圖1所示。

式中：徐變應力為σc（t）=σ（t）-σc（τ0），E′（t，τ0）為按齡期調整的有效模量;E′（t，τ0）=E（τ0）[1+χ（t，τ0）φ（t，τ0）]，χ（t，τ0）為老化系數，建議取0.8。

為準確模擬鋼管混凝土的收縮徐變，根據該拱橋所在地的全年氣候條件信息，在融合上述收縮徐變公式的精細化模型中，設置該鋼管混凝土拱橋全年平均濕度RH=80%，年平均氣溫為17 ℃，最高氣溫和最低氣溫分別為40 ℃和-7 ℃。

本文著重分析汽車過橋時橋面及拱肋的豎向位移、彎矩及軸力的時程反應。分別計算汽車以3.6 km/h、18 km/h、36 km/h、72 km/h的速度通過橋面時橋梁的豎向動力響應，并且考慮收縮徐變的影響。當移動荷載速度v=3.6 km/h時，基本不會引起橋面的振動，可近似視為橋面承受靜載作用。

考慮到動力效應下結構的動彈性模量與靜彈性模量的不一致性，參考文獻[9]中的研究，在建模中考慮鋼管內填混凝土的動彈性模量為靜彈性模量的1.14倍。然而這只是根據先驗理論的一種估計，有關動力與時間效應耦合作用下動彈性模量與靜彈性模量之間關系的研究仍需進一步開展。

3 控制截面變形

在不同速度和收縮徐變下拱頂位移峰值和跨中位移峰值如表1所示。

由表1可知，隨速度的增大，位移變化規(guī)律比較復雜：拱頂位移先增大后減小，而跨中位移則持續(xù)增大，且在速度為72 km/h時達到峰值;同時，隨收縮徐變時間的增長，位移均逐漸增大?？梢妱恿ψ饔脮ξ灰飘a生一定的放大效應。4 控制截面內力

為研究時變和動力效應耦合作用對鋼管混凝土拱橋受力性能的影響，本文計算了不同速度及收縮徐變下的拱橋內力值，如圖2、圖3所示。

由圖2～3可知，隨速度的增大，內力均較靜載作用下的內力值大;隨收縮徐變時間的增長，鋼管內力增大，混凝土除拱頂彎矩外均減小。隨速度的增大，動力和徐變耦合作用對內力會產生一定的影響。當移動荷載速度逐漸增大時，拱肋的動力效應基本呈現放大的趨勢。

內外側吊桿N2軸力峰值如表2所示。

由表2可知，隨速度的增大，內側吊桿N2內力增大，外側吊桿內力則先增大后減小，但均比靜載下的內力大，增長幅度峰值達7.8%，對內力的放大效應較顯著。隨收縮徐變時間的增長，吊桿內力變化比較復雜，但總體而言其對吊桿內力的影響較小。

5 結語

本研究建立了永寧江2號大橋的有限元模型，分析該橋十年內的混凝土收縮徐變下的位移，及其核心混凝土和鋼管應力變化，得出了如下結論。

（1）隨著速度的增大，鋼管混凝土拱橋的位移、內力變化規(guī)律較復雜，但均較靜載下的位移、內力要大。其中拱頂位移先增大后減小，跨中位移則持續(xù)增大，且在速度為72 km/h時達到峰值;內側吊桿N2內力增大，外側吊桿內力先增大后減小，但均較靜載作用下的內力大，增長幅度最高可達7.8%，對內力的放大效應顯著。

（2）隨著收縮徐變時間的增長，鋼管和混凝土位移均增大;同時，鋼管內力增大，而混凝土除了拱頂彎矩外均減小;拱橋的吊桿內力變化較復雜，但就分析結果而言，收縮徐變對吊桿的內力影響較小。

（3）收縮徐變和動力耦合作用會對拱肋位移和內力產生一定的影響，隨著速度的增大這種增幅效果將會越明顯。在鋼管混凝土拱橋的結構設計和驗算中應充分考慮行駛車輛的車速問題，在必要時應予以限速。

（4）未來的工作仍需圍繞以下兩部分開展：①根據實驗結果建立動力與時間效應耦合作用下動彈性模量與靜彈性模量之間的新型關系模型;②實驗和模擬分析結合，確認行車因素（荷重、累計作用次數、幅值、組合材料面積）對收縮徐變的影響。

參考文獻：

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[6]李清海，譚篤光.車輛荷載作用下橋梁動力效應的有限元分析[J].振動與沖擊，1994（1）：15-22.

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