大跨径混凝土斜拉桥施工运营一体化监测系统研究与设计.pdf

桥梁 大 跨 度 中 承 式 钢 箱 混 凝 土 系 杆 拱 桥 稳 定 性 研 究 王明明 ( 铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142) 摘要：挟式连续梁系杆拱桥是一种造型新颖、受力复杂的桥梁结构，其稳定性问题是不可忽视的。采用AN SY S 有限元分析软件对该桥建立计算分析模型，计算该桥梁在各种荷载组合作用下的第一类稳定性。同时计算了该桥 在几何、材料以及几何材料双重非线性作用下的第二类稳定性，并将两者的结果作了对比。计算分析结果表明：材 料非线性对该桥的稳定性影响很大，同时给出了拱桥稳定性计算的一般性方法，其结果可以为日类型桥梁提供 参考。 关键词：系杆拱桥；稳定性；非线性 中图分类号：U 44822文献标识码：A文章编号：10042954(2012) 11005704 St abi l i t y Resear chof LongSpanH al f- t hr ough C oncr et e Ti edA rch Bri dge w i t hSteelBoxSect i on W A N GM i ngm i ng (TheThir dR ai l w aySur veyandD esi gnIns t i t ut eG roupC orporati on，Tianji n300142，Chi na) A bst ract ：Ti edarchcont i nuous beambri dge i saki ndof bri dge st r uct ur ew i t hnovel shape and com pl ex st ress esSot he st abil it y i ssuesshoul dnotbe negl ect edSpat i alanalysi s m odelofanact ual bri dge w as est abl i shed byA NSY S fi nit eelem entsoft w areandt hefirst stabi lit y ofthis bri dge undert heact ionsof vari ouski ndsofl oadcom bi nat i onsw er e anal yzed i nthi sart i cl eThe secondaryst abi lit y oft his bri dge undert heact ionsof geom et r i cnonl i near i t y，m at eri alnonl i near i t y anddualnonl i near i t iesw ereal so anal yzedrespecti vel y inthi sart i cl eThe com pari ng r esultver ifi es t hatt hem at eri alnonl i nearef f ectont he stabi lit y oft his bri dge is verybigA l sogeneralcom puti ng m et hodsofarch bri dgestabi lit y w ere i nt roducedinthi sart i cl e。Ther esul ts can provi de refer enceforsim i l arki ndsof bridges K eyw or ds：t iedarchbri dge；st abi l i t y；nonl i near i t y 近年来，随着桥梁结构在设计、旌工工艺等方面的 飞速发展，很多造型新颖、结构受力复杂的大跨度系杆 拱桥也同时得到很大发展。而以受压为主的大跨度系 杆拱桥结构来说，其稳定问题和其极限承载能力问题 收稿日期：20120613 作者简介：王明明(1986一)，男，助理工程师2011年毕业于西南交通 大学，工学硕士，Em ail ：cdw an986 163com 。 是紧密联系在一起的，因此，拱桥稳定性与其强度问题 有着同样的重要性。由于大跨度拱桥结构日益广泛地 采用高强材料以及结构杆件的薄壁化，更显示出了拱 桥稳定问题的重要性矗1。 本文结合一大跨度中承式系杆拱桥。该系杆拱桥 主跨为1080m ，两边的边跨为321m 。主跨拱肋矢高 为250m ，矢跨比为1432，边拱肋矢高1175m ，矢跨 5张启伟大型桥梁健康监测概念与监测系统设计J同济大学学 报，2006，29(1)：6364 6肖振发，符锌砂基于W ebG IS的广州市城市道路占道审批系统 研究与设计 J 铁道标准设计，2012( 2) ：1922 7徐君兰大跨度桥梁施工控制M 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。结构初始应力刚度矩阵； 6结构节点处位移值； F一结构等效节点处荷载值。 拱桥的压溃荷载即是考虑拱桥几何材料双重非线 性所得的极限失稳荷载。 2 空间有限元分析模型介绍 利用AN SYS通用有限元计算分析软件，建立了三 维全桥空间有限元分析模型。模型中采用空间梁单 元、板壳单元以及空间杆单元对该系杆拱桥的各结构 杆件进行模拟，全桥空间模型如图1所示。 21 单元选取 拱肋钢箱和拱肋混凝土截面：采用“双单元”法模 拟拱肋钢箱和填充混凝土的相互作用，模型中选用 beam l 88梁单元，此空间梁单元可以满足非线性收敛 图1有限元模型立面 计算的需要。 主纵梁：模型中采用beam 4梁单元进行模拟。 混凝土桥面板：模型中采用pl anl 63板壳单元进 行模拟。 吊杆和预应力系杆：模型中采用l i nkl 0杆单元进 行模拟，并在计算时考虑吊杆和预应力系杆中的初始 拉力荷载。 22 边界条件 计算模型中没有模拟桩基础与地基土之间的相互 作用，建模时直接在拱座处按一般支承进行约束处理。 在计算时主拱肋钢箱和主纵梁钢箱固结处采用共节点 处理，边拱肋和主纵梁固结处通过设置刚臂进行连接。 23 荷载工况 利用上述建立的有限元计算模型，对该桥进行稳 定性分析，本文只计算了成桥状态下的稳定性。模型 中主要考虑以下4种荷载工况的组合。 恒荷载：系杆拱桥结构全部的自身重力。一期恒 载：为拱肋和主纵梁等主体结构构件的重力；二期恒 载：成桥后施加在主体结构上的轨道、栏杆等附属构造 设施的重力。 列车活载：列车活载布置在桥梁主跨的范围内，按 最不利位置进行加载。按照结构的受力特点，考虑双 侧列车荷载。 人行道荷载：根据相关设计规范和本桥的设计文 件，采用50kN m 2进行计算。 横向风荷载：在计算模型中考虑拱肋钢箱、主纵梁 钢箱、竖撑和吊杆的横向静风荷载作用，不考虑风荷载 的动力作用。其计算按照铁路桥涵设计基本规范 (TBl 000212005)中的有关公式进行计算。 24拱桥有限元计算 到目前为止，大跨度拱桥结构的整体稳定性分析 基本上是以线弹性理论为主，大跨度钢箱混凝土肋式 拱桥，由于此种类型桥梁宽跨比较小，横向刚度相对较 弱，大多是整体侧向外倾失稳，失稳时拱桥材料基本上 已经进入弹塑性状态。此时，采用第一类稳定理论计 算的临界荷载会偏于不安全，对结构产生安全隐患。 因此，要准确计算拱桥的临界荷载，就要同时考虑拱桥 几何材料双重非线性的影响。这样计算出的拱桥稳定 性才更符合实际工程的失稳状况。 58 铁道标准设计R AILW AYSTA N D A R D D ESIG N 2012( 11) 王明明一大跨度中承式钢箱混凝土系杆拱桥稳定性研究 3计算结果与分析 31 系杆拱第一类稳定计算分析 将系杆拱桥的稳定安全系数61定义如下 P K 。，=詈 ( 4) t 式中，P。为桥梁结构施加的基本荷载；P。，为结构 失稳时对应的极限荷载值；稳定安全系数K 。，就是结构 失稳状态时基本荷载P，的加载倍数，反应桥梁结构对 某种荷载工况的安全储备。 按照上述定义的稳定性安全系数，计算了拱桥的 第一类稳定性，第一类稳定安全系数的计算结果如表 1所示。 。 表1 各荷载工况下系杆拱桥第一类稳定安全系数 荷载工况稳定安全系数 荷载工况1( 恒荷载) 4427 荷载工况2(恒荷载+双侧列车静活载)3636 荷载工况3(恒荷载+双侧列车静活载+人群满布)3548 蔓蓑三璺墅。要荷载+双侧列车静活载+人群满布+6- 3548 车横向风荷载) 系杆拱桥的一阶失稳模态如图2所示。计算结 果表明：系杆拱桥在上述各荷载工况下的一阶失稳模 态均为拱肋横向反对称失稳。 图2系杆拱桥第一阶失稳模态 从表1可以看出：系杆拱桥的第一类稳定安全系 数在荷载工况1作用下为44。265，在荷载工况2的作 用下为36360，对于成桥运营阶段其稳定安全系数是 完全满足规范要求的。对于在荷载工况3的基础上加 上横向风荷载的荷载工况4作用下，其稳定安全系数 基本不变。由此可见，横向风荷载对系杆拱桥的第一 类整体稳定性影响很小。而对比工况1和工况2可以 看出，第一类稳定安全系数在加上列车竖向静活载后 有显著的下降趋势，稳定安全系数降低达到179。 32 系杆拱第二类稳定计算分析 321 系杆拱几何非线性稳定分析 在计算时，模型中只考虑桥梁结构自身恒荷载的 作用。采用拱桥第二类稳定分析理论对该系杆拱桥的 稳定性进行几何非线性分析1，图3即为主拱肋14截 面处横向位移的P一曲线。其中：为主拱肋14截 面处横向位移，K为计算模型中施加的荷载与基本荷 载( 恒载)尸。的比值，P一曲线所计算K 的最大值即 为该系杆拱桥的稳定安全系数。 从P一曲线中可以看出：由于没有考虑拱桥的初 始缺陷的影响，在荷载加载之初，结构并没有出现横向 铁道标准设计R A儿W AYST A N D A R D D ESIG N 2012( j J) -桥梁 ，m 图3 主拱肋14截面横向位移的P- 曲线 位移，随着荷载的增大，当所施加的荷载接近拱桥的极 限失稳荷载时，此时其横向位移突然变大，P一曲线 基本上呈水平状态，说明该系杆拱桥此时已经不能满 足正常的使用功能，结构已经失稳。 结合第一类稳定分析的计算结果还可以看出：该 系杆拱桥第一类稳定安全系数为“27，计入几何非 线性因素影响后的稳定安全系数为4382，后者比前 者降低了1。由此可以看出，对于本桥来说，考虑几 何非线性影响对该系杆拱桥的稳定安全系数影响很 小，计算时可以直接采用第一类稳定分析的结果。 322 系杆拱材料非线性稳定分析 在计算分析模型中，考虑了拱肋钢箱、主纵梁和桥 面系钢材的材料非线性，同时考虑了拱肋填充混凝土 和混凝土桥面板的材料非线性。计算时钢材和混凝土 2种材料都按理想弹塑性材料考虑，钢材和拱肋混凝 土的应力一应变本构关系o定义如下。 (1)钢材的应力一应变本构关系 Q 370qD 钢材的屈服应力为370M Pa。钢材的应 力一应变本构关系曲线如下式表示。 盯。=E。占。I占。l so( 8) 式中，Z为拱肋钢箱混凝土轴心抗压强度，占。为 拱肋填充混凝土的极限压应变。 在计算时，模型中同样只考虑桥梁结构自身恒荷 载的作用。利用上述定义的钢材和拱肋钢箱混凝土本 构关系曲线，采用拱桥第二类稳定理论对该拱桥的稳 定性进行材料非线性分析，图4即为主拱肋拱顶截面 59 桥梁 王明明一大跨度中承式钢箱混凝土系杆拱桥稳定性研究 处竖向位移的P一曲线。其中：为主拱肋拱顶截面 处的竖向位移，K 为计算模型中施加的荷载与基本荷 载(恒载) P。的比值，P一曲线所计算K 的最大值即 为该系杆拱桥的稳定安全系数。 d，m 图4主拱肋拱顶截面竖向位移的P一曲线 从P一曲线中可以看出：在初始计算加载时，P一 曲线基本上呈线性变化趋势，当所施加的荷载值达 到该桥的极限失稳荷载时，材料进入塑性状态，此时拱 肋的位移迅速增大，拱顶处的PA 曲线基本上呈水平 状态，结构出现失稳。计算结果表明：计人材料非线性 因素影响时的稳定安全系数为1116，而系杆拱桥的 第一类稳定安全系数为4427，其材料非线性稳定安 全系数只有第一类稳定安全系数的14左右。由此可 以看出，材料非线性对结构稳定安全系数影响很大，在 计算该系杆拱桥的稳定安全系数时，材料非线性的影 响一定不可忽略。 3。23 系杆拱双重非线性稳定分析 在计算时，模型中同样只考虑桥梁结构自身恒荷 载的作用。利用上述计算模型，考虑几何和材料非线 性同时计人计算模型中0111，图5即为主拱肋拱顶截 面处竖向位移的PA 曲线。其中：为主拱肋拱顶截 面处竖向位移，K 为计算模型中施加的荷载与基本荷 载(恒载) P的比值，P一曲线所计算K 的最大值即 为该系杆拱桥的稳定安全系数。 dm 图5主拱肋拱顶截面竖向位移的P一曲线 计算结果表明：考虑几何材料双重非线性的PA 曲线和只考虑材料非线性的P一曲线性质基本相同， 而得到的几何材料双重非线性稳定安全系数只有 1086，而系杆拱桥第一类稳定安全系数为4427，其 几何材料双重非线性稳定安全系不足第一类稳定安 全系的14。由此可以看出在计算大跨度系杆拱桥 稳定安全系数时，几何非线性是次要影响因素，材料非 线性是主要影响因素。因此，若要准确得到该系杆拱 桥的稳定安全系数，必须要计人材料非线性的影响。 按照上述计算方法也分析了该系杆拱桥在荷载工 况2工况4作用下的非线性稳定性，计算结果表明： 该系杆拱桥在这些工况作用下的非线性稳定安全系数 相对于第一类稳定安全系数都有相应幅度的降低。 4 结论 利用A N SY S有限元计算软件建立了有限元分析 模型，并结合现有的拱桥稳定分析理论，计算了大跨度 钢箱混凝土系杆拱桥的第一类稳定安全系数和第二类 非线性稳定安全系数，并得到如下结论。 (1)在第一类稳定性计算中，该系杆拱桥第一阶 失稳模态为拱肋横向反对称失稳。同时列车静活载对 该系杆拱桥的稳定安全系数影响较大，而横向风荷载 对该桥的稳定安全系数的影响很小。 (2)对于本桥来说，几何非线性对稳定安全系数 的影响不是很明显，在计算过程中可以不考虑几何非 线性的影响。 (3)计人材料非线性因素影响对该系杆拱桥的稳 定安全系数影响很大。因此，在计算大跨度的类似系 杆拱桥时，一定要考虑材料非线性的影响，才能得到比 较准确可靠稳定安全系数。 参考文献： 1李国豪桥梁结构稳定与振动 M 北京：中国铁道出版社，2002： 1251 2项海帆，刘光栋拱结构的稳定与振动M 北京：人民交通出版 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