下承式钢管混凝土系杆拱桥施工过程稳定性分析.pdf

3 2 0 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第4 0卷第 6期 2 0 1 4年 1 2月 下承式钢管混凝土系杆拱桥施工过程稳定性分析 鲁 勤 ( 上海大学 土木工程 系 ， 上海2 0 0 0 7 2 ) 摘要： 在拱桥设计中稳定问题至关重要， 随着施工技术的发展 ， 施工过程中的稳定性是否满足要求往往成为一个 控制因素。本文以一座下承式钢管混凝土系杆提篮拱桥为例 ， 利用有限元软件 A N S Y S对其施工过程主要阶段及 成桥运营阶段进行特征值屈曲分析 ， 得到相应的稳定安全系数， 其结果分析表明了该桥在施工过程及运营阶段均 不会出现失稳现象。 关键词： 钢管混凝土拱桥； 特征值屈曲； 稳定性； 有限元 中图分类号： U 4 1 ； T U 3 7 文献标志码： B 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 4 ) 0 63 2 0 0 3 O 引 言 钢管混凝土是在钢管内填充混凝土而形成的一 种组合结构 ， 具有强度高、 塑性和韧性好 、 耐疲劳 、 抗 冲击 、 施工方便等特点。近年来 ， 随着钢管混凝土组 合结构的出现， 钢管混凝土拱桥 由于造型美观和跨 越能力大等特点而得到广泛应用。 拱桥是承压为主的结构体 系， 近年来随着跨度 的增大 ， 高强材料及薄壁杆件的运用 ， 使得钢管混凝 土拱桥的稳定性问题变得更为突出。结构稳定问题 可分为两种形式 ： 第一类稳定 ， 分支点失稳问题 ； 第 二类稳定 ， 极值点失稳 问题 。第一类稳定问题 ， 力学 概念明确 ， 稳定 问题常转 为特征值 问题 ， 属线性分 析 ， 且其临界荷载值近似代表第二类稳定 问题 的上 限。实际工程中的稳定问题一般表现为第二类失 稳， 但是， 由于第一类稳定问题是特征值问题， 求解 方便 ， 在许多情况下两类问题的l 临界值又相差不大 ， 因此研究第一类稳定 问题仍有重要的过程意义 。本 文结合某钢管混凝土拱桥 ， 利用基于 A N S Y S二次开 发的 A P D L语言编写分析程序创建拱桥 的有 限元模 型， 进行拱桥的特征值屈曲分析。 1 特征值屈 曲分析基本理论 在稳定平衡状态 ， 考虑轴向力或 中面内力对弯 曲变形的影响， 根据势能驻值原理得到结构的特征 值屈曲分析平衡方程为： ( K+ K ) = R 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 1 0 2 4 作者简介 ： 鲁勤( 1 9 9 0一) ， 男 ， 安徽安庆人 ， 硕 士研究 生 ， 主要从事 桥梁设计及施工监控研究。 E m a i l ： 4 7 9 3 4 8 2 6 9 q q c o rn 式中， K 为结构弹性刚度矩阵 ； K 为结构几何 刚度矩阵， 也称为初应力 刚度矩 阵； 。 为节点位 移向量 ； 为节点荷载向量 。 当结构处 于临界状态下 ， 即使 一0 ， 也有非零解， 按线性代数理论 ， 必有： I + I = O 为求得屈 曲荷载 ， 可假设 一组外荷载 P 。 ， 与 其对应的几何刚度矩阵为 ， 并假定屈曲时的荷 载为 A倍 ， 故有 K =A K ， 从而上式可化为： I K+ Af K I = 0 特征值方程为 ： ( +A i K ) 咖 i =0 式中， A j 为第 i 阶特征值 ； i 为与 A i 对应的特征 向量 ， 是相应该阶屈曲荷载时结构的变形形状 ， 即屈 曲模态或失稳模态。在 A N S Y S特征值屈曲分析中， 其结果给出的是 A i 和 。 ， 即屈曲荷载系数和屈曲 模态 ， 而屈曲荷载为 A ； P o 。 2 工程实例 2 1 工 程概 况 某桥为计算跨径 7 7 m 的下承式钢管混凝土系 杆提篮拱桥 ， 拱轴线 自身平面内( 非竖向平面) 矢高 ： 1 9 2 5 m， 矢跨比 =1 4 ， 拱轴线采用二次抛物 线 ， 内倾 1 1度， 横断面布置为 3 0 m人行道 + 2 5 m 拱肋区 +1 4 0 12 1 车行道 + 2 5 m拱肋 区 + 3 0 m人 行道 = 2 5 m， 结构形式如 图 1所示。拱肋采用圆端 形截面， 截面高度 1 8 m， 上下半圆半径为 0 5 m， 中 间段长 0 8 m。系梁采用预应力钢筋混凝土箱梁结 构， 设纵 向预应力筋 ， 采用 咖i =1 5 2 0 m m高强度低 松弛预应力钢绞线。端横梁和中横梁均采用预应力 混凝土实心截面， 配以横梁纵 向预应力筋。端横梁 鲁勤： 下承式钢管混凝土系杆拱桥施工过程稳定性分析 3 2l 与首根 中横梁的距离为 4 5 m， 中横梁之间的距 离 为 4 m。吊杆顺桥 向间距 4 m， 全桥共设 1 8对 吊杆 。 吊杆采用 G J 1 5 1 9 钢绞线 ， 配套使用 5 1 9挤压钢 绞线成套锚具 。吊杆上端穿过拱肋 ， 锚 固于拱肋上 缘张拉底座 ， 下端锚 固于 吊杆横梁 下缘 固定底座 。 该桥拱肋钢管采用 Q 3 4 5钢材 ， 管 内灌注 c 4 o微膨 胀 自密实混凝土 ， 横梁均用 c 5 o混凝土 。桥梁设计 荷载标准为城 一B级。人群荷载按 c J J 1 1 2 O 1 1 城 市桥梁设计规范 取值。 图 1 结构形式 2 2主 要施 工过 程 由于该桥跨径不大 ， 采 用先梁后拱 少支架施工 法。根据施工方案现选取如下几个典型的施工状态 建立不同的 A N S Y S有 限元模型进行施工过程稳定 性分析。 1 ) 在系梁上架设完成拱肋空钢管， 还未安装横 撑。 2 ) 在系梁上架设完成拱肋空钢管 ， 横撑 已完成 安装 。 3 ) 拱肋空钢管 内灌注混凝土 ， 混凝土还未形成 刚度 。 4 ) 混凝土灌注完成且强度已达 1 0 0 。 5 ) 张拉吊杆。 6 ) 施加二期恒载。 7 ) 成桥。 2 3 计算模型 本文采用大型有 限元 软件 A N S Y S对该桥建立 空问杆系有限元模型。本模型中拱肋 、 系梁 、 横梁及 风撑均采用 B E A M4 4梁单元模拟 ， 吊杆采用 L I N K1 0 模拟 ， 并将单元特性设置为只受拉单元 ， 钢管混凝土 拱肋采用钢管和混凝土分别建模， 采用共用节点， 钢 管和混凝土之间无缝隙 ， 不考虑钢材和混凝 土之 间 的粘结滑移作用 ， 认为二者共同协调受力变形。这 种方式无法考虑混凝土在钢管箍套作用下对混凝土 抗压强度的提高 ， 而是采用了“ 钢管 +混凝土” 的简 单叠加理论， 按应力叠加法进行计算。A N S Y S中全 桥有限元模型如图 2所示 。 图 2 全桥有 限元模型 线 3稳定计算结果及分析 经计算得到各施工阶段一阶特征屈曲的稳定安 全系数 ， 相应的一阶失稳模态见表 1 。 表 1 一阶特征屈 曲稳定 安全 系数 由于篇幅所 限， 这里给出第 7阶段成桥失稳模 态如图3 所示， 其他阶段失稳模态形状类似。 1 ) 第 1 、 2阶段结果对比可知， 横撑对于全桥整 体稳定性有较大影响。 2 ) 除未安装风撑 阶段 ， 该桥在施工过程中稳定 安全系数均大于 1 0 ， 表明该桥在施工 过程 中结构 的 3 2 2 四川建筑科学研究 第 4 0卷 J Y j f 5 图 3 成桥 失稳一阶屈曲模态 稳定安全性是有保证的。 3 ) 在拱肋内灌注混凝土尚未形成刚度 时， 稳定 系数有明显的下降， 这表明在向拱肋钢管内灌注混 凝土的阶段施工时 ， 拱肋稳定性易受到影响 ， 应注意 观察 。 4 ) 施工过程中均发生 的是拱肋面外失稳 ， 且 由 计算发现各施工阶段特征值屈 曲分析前 5阶失稳模 态也均为面外失稳 ， 这表 明该桥顺 桥向的刚度要 比 横向刚度大得多。 除了对施工过程 中关键阶段进行稳定分析 ， 本 文还根据成桥后运营阶段的荷载特点， 对钢管混凝 土拱桥在以下几种荷载工况下进行特 征值屈 曲分 析 ： 考虑拱肋 、 桥面系恒载 ， 车道荷载满布且集 中 荷载于 1 2处及人群荷载满布作用 ； 考虑拱肋 、 桥 面系恒载， 车道荷载满布且集 中荷载 于 l 4处及人 群荷载满布作用； 考虑拱肋 、 桥面系恒载， 车道 荷 载及人群荷载均偏载作用， 且集中荷载作用于 1 2 处 ； 考虑拱肋 、 桥面系恒载， 车道荷 载及人群荷载 均偏载作用 ， 且集中荷载作用于 f 4处 ， 分析计算得 到的稳定安全系数结果见表 2 。 表 2 成桥 阶段稳定安全 系数 从表 2中可看 出， 成桥阶段与 四种工况作用 下 相应的安全系数相差不大， 这表明钢管混凝土拱桥 中恒载对其稳定安全性起决定性的作用， 活载对其 影响相对较小 ； 车道荷载满布与偏载时稳定安全 系 数相差不大 ； 车道荷载 、 人群荷载满布且集 中荷载作 用于 2处时稳定系数最小。 4 结 语 本文应用有 限元进行该拱桥空间稳定性分析 ， 得到了施工阶段稳定安全系数及成桥 阶段几种荷载 工况作用下 的稳定安全系数 ， 结果均表 明该桥无论 是施工过程还是运营阶段其稳定性均有足够保证。 由于在计算过程中没有考虑几何非线性和材料 非线性 的影响， 计算 出的稳定 系数必然偏大。但 由 于该桥跨径较小 ， 而拱肋刚度相对较大 ， 据已有经验 知线弹性分析的结果与考虑几何材料非线性 的计算 结果相差不大。 本文在进行 稳定性 分析 中采用 “ 钢管 +混凝 土” 的简单叠加理论 ， 没有 考虑钢管与混凝土 的相 互有利作用 ， 这样就没有充分利用这种组合材料的 优越性能， 这种做法尚待改进 ， 且 目前对于钢管混凝 土拱桥缺乏相应的设计 、 施工规范 ， 钢管混凝土拱桥 的设计计算只能参照工民建中钢管混凝土的相关规 范或借鉴已建成的同类桥梁的经验。 参 考 文 献 ： 1 项海帆 高等桥梁结构理论 M 北京： 人 民交通出版社， 2 0 0 1 2 李 国豪 桥梁结 构稳定 与振 动 M 北京 ： 中 国铁 道 出版 社 ， 1 9 9 6 3 王元清 ， 姜波 ， 石永久 ， 等 大跨度钢管 昆 凝 土拱桥施工 稳定 性分析 J 铁道科学与工程学报 ， 2 0 0 6 ( 1 0) 4 王新敏 A N S Y S 工程结构数值分析 M 北京： 人民交通出版 社 ， 2 0 0 7 5 陈宝春 钢管混 凝土拱桥 设计与施 工 M 北京 ： 人民交 通出 版社 ， 1 9 9 6 6 赵雷 ， 一之 钢管混凝土系杆拱桥施 工过程结构行 为非线 性分析 J 西南交通大学学报 ， 2 0 0 0 ( 4 ) 7 A u s t i n W J I n P l a n e B e n d i n g a n d B u c k l i n g o f A r c h e s J S t r u e t D i v ， AS C E 1 9 7 l ， 9 7 ( 5) ： 1 5 7 5 1 5 9 5 8 程进 ， 江见鲸 ， 肖汝诚 ， 等 拱桥 结构极 限承载力的研究现状 与发展 J 公路交通科技 ， 2 0 0 2 ( 4) 9 吴尚杰， 郑振飞 大跨度钢管混凝土肋拱桥侧向稳定性的有限 元分析 J 华东公路 ， 1 9 9 6 ( 6 ) 1 O 颜全胜 ， 徐 升桥 大跨 度钢管 混凝 土拱 桥 的稳定 承载 力分 析 J 铁道标准设计 ， 2 0 0 3 ( 7)