温度对大跨径钢管混凝土拱桥稳定性影响的研究.pdf

2 0 1 3年第 4期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 2 9 文章 编 号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 0 4 - 0 0 2 9 0 3 温度对大跨径钢管 混凝 土拱桥稳定性影 响的研 究 尚 军 ， 李 自林 ， 李 欢 ， 谢 新 ( 1 天津城市建设学 院 土木工程 学院 ， 天津3 0 0 3 8 4； 2 天津市海河建设发展投资有限公司 ， 天津3 0 0 3 8 0 ) 摘 要 ： 温度 对 大跨 径钢 管 混凝 土拱桥 稳 定性 的影 响 ， 一 直 都是 土木 工程界 关心 的 问题 之 一 ， 也是 研 究 的 难点和重点。本文结合一座大跨径钢管混凝土拱桥 千岛湖 南浦 大桥 工程 ， 运 用大型有限元软件 MI D A S建立 了其有限元计算模型， 并通过 MI D A S设置了不同的温度 ， 研究 了温度的整体升降对该桥整 体稳定性的影响。通过 比较得 出： 该桥 的整体稳定性是随着温度的整体升高而降低， 随着温度的整体下 降而提 高 的。 关键 词 ： 温度拱桥稳定 性分 析稳定 安全 系数 中图分 类号 ： U 4 4 8 2 2 ； U 4 4 1 文 献标识 码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 3 0 4 0 9 桥梁除了要满足强度要求 ， 还要求严格控制其稳 定性 ， 对于大跨径钢管混凝土拱桥而言， 这点显得尤为 重要 。拱桥 的稳定性 ， 不仅要考虑恒载、 车辆荷载 的影响， 还应考虑温度的作用。在气温作用下 ， 可以认 为拱结构的温度变化是均匀的； 而在 日照作用下 ， 各杆 件之间， 甚至同一杆件是存在温度梯度的。本文结合 千岛湖南浦大桥工程 ， 运用大型有限元软件 MI D A S建 立 了其有限元计算模 型， 研究 了温度 的升降对其稳定 性 的影 响 。 1工程背景概况 1 1工程 概述 该桥位于浙江省杭州 市淳安县旅 游胜地千 岛湖之上 ， 它对 该 地 的交通 起 着 至关 重要 的作 用。 该 桥 的 总 跨 度 为 3 3 0 m， 净 跨 度 为 3 0 8 m， 矢 高 为 5 5 9 9 m， 桥面的净宽为 1 2 m( 包括两边 的人行道 ) ， 矢跨 比为 1 5 5， 是一座 中承式钢管混凝土拱桥 。该 工程 主 要 技 术 指 标 如下 ： 设 计 荷 载 ， 汽一2 0级 ， 挂 车 一 1 0 o ； 桥 面 净 宽 为 9 0 I n+21 5 m( 人 行 道 ) ； 地震基本烈度 度 ； 桥面纵坡 2 2 5 ( 双 向) 。桥 位所属区域 位于 中亚热 带季风 气候带 北缘 ， 温 暖湿 润 ， 雨 量 充 沛 ， 四 季 分 明， 光 照 充 足 ， 年 平 均 气 温 收稿 日期 ： 2 0 1 2 1 1 2 6 ； 修 回日期 ： 2 0 1 3 O 1 O 6 基金项目 ： 天津市 自然科 学基金项 目( 1 3 J C Y B J G 1 9 6 0 0 )； 住房 和城乡建 设部研究开发 项 目( 2 0 1 2 一 K 4 2 8 ) ； 国家 自然科 学基 金项 目 ( 5 1 2 0 8 3 3 7 ) 作者简 介： 尚军 ( 1 9 6 8 一 )， 男 ， 天津市人 ， 副教授 ， 硕士 。 1 7 o C， 1月平均气 温 5 ， 极 端最低气温 一 7 6， 7 月平均气温 2 8 9 c I =， 极端最高气温 4 1 8 o C f 3 - 4 3 。 1 2结构 布置 形式 该桥 的拱 肋设 计 成悬 链 线 形 式 ， 拱 肋 的 轴线 系 数 是 1 1 6 7 ， 拱肋的桁高为5 2 0 0 m m， 桁宽为 2 5 5 0 m i l l ， 桥 两边 的两拱 肋 的外 间距 为 1 5 5 5 0 i n m。拱 肋 的 四肢 弦杆 都采 用 4 , 8 5 0 m m钢 管 ， 拱肋 钢管 中间段 ( 上下 弦 ) 的厚度为 1 2 t n m， 在拱脚部位的下弦杆稍微加厚 ， 钢管 的厚 度取 为 2 0 mm， 在两 者之 间 的过 渡 段壁 厚 取 为 l 4 m m。在 4根弦杆之间分别设置与弦杆正交 的直腹杆 和斜腹杆 ， 腹杆钢管取 4, 5 2 9 m m， 钢管 的厚度取为 1 0 m m， 且在 直腹杆处安 装剪刀撑。四肢弦杆 内填充 的 都是 C 5 0混凝 土。拱 肋之 间布置 了 l 3道 双“ K” 字 钢管横撑 。其中 1道设置在拱顶处 ， 剩下的 1 2道根 据拱顶的这道在两边对称布置 ， 水平间距为 2 0 m， 拱 顶附 近 的 间距 较 大 ， 取 2 5 m。其构 造 简 图如 图 1 所示 。 2 0 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 20 0 0 2 0 0 0 ( b ) 俯视 图 1 千岛湖南浦大桥的构造简图( 单位 ： c m) 3 0 铁道建筑 2有限元模 型的建立 通常在 进行 钢 管混 凝 土 拱桥 稳 定 性 研 究 的 时候 ， 最主要的问题就是要根据实际情况建立比较精确的模 型。任何一个工程 案例 中的桥梁 构造都是十分复杂 的 ， 无 论用 那种 软件 都 不 可能 完 完 全 全地 按 照 实 际情 况来建模 ， 其关键问题就是如何将工程实况进行简化 ， 在很大程度上 ， 软件对结构计算 的准确性和精确度都 取决于从实际工程抽象得到的力学模型是否符合实际 情 况 。 本文所依托工程模型的节点、 单元很多 ， 该模型较 大 ， 本文的简化计算模型是运用大型通用有 限元软件 MI D A S C i v i l 建立的。在该桥的建模过程中， 根据各种 构件的形状和受 力特点， 分别在 MI D A S C i v i l 软件 中 选取最合适的单元类型。该模型共建立5 3 8 0 个单元 ， 其中有5 3 2 4 个 梁单元 ， 5 6个桁架单元。这两种单元 的特点 如下 ： 1 ) 空 间梁 单 元 。空 间 梁 单 元 是 由 2个 节 点 连 接 组 成 的 ， 而且 它 具 有拉 、 压 、 弯 、 扭 、 剪 5种 刚度 。利 用 MI D A S C i v i l 建模时， 如果要建的是等截面梁单元 ， 只 需要输入该单元对应构件 的截面面积就行了； 如果要 建 的是变截面变刚度的梁单元( 即梁截面的刚度是沿 长度发生变化 的) ， 则需要输入 梁两端 的两个 不同截 面的面积 ， 此种情况通常都是假设该梁单元 的相关参 数 ( 比如横 截 面 面积 和 刚度 等 ) 是 沿 着 某 一 方 向 成线 性分布的( 一般假设沿 轴) ， 而其他参数则可以根据 不同的情况而形成沿 轴的 n次方函数 。 2 ) 桁架单元。在 MI D A S C i v i l中， 桁架单元也是由 2个节点连接而构成的单元， 且为线性 ， 在受力方面只是 单向受拉、 压， 且只传递轴向力。一般情况下， 在研究空 间桁架结构或者交叉支撑结构时会选取桁架单元 。 千岛湖南浦大桥拱肋 的主弦杆 、 竖向腹杆 、 斜腹 杆 、 剪力撑、 横 向支撑、 主梁和 吊杆横梁都是采用 的梁 单元 ， 吊杆选择的是桁架单元 ， 该工程的空间计算模型 如 图 2所示 。 图 2 千 岛湖南浦大桥 的有限元计算模型 3 有 限元分析 在 施加 温度荷 载 时 ， 本 文分 别 采 取 系统 温 度 整体 下降 1 0 q c， 2 0 ， 上升 1 0 ， 2 0， 不考虑升温时钢 材 比混凝土温度升高的要多 ， 降温时钢材 比混凝 土温 度降低 的要多。为了方便 比较 ， 本文主要研究该桥在 恒载 和温度 荷载 共 同作用 的稳 定性 情 况 ， 并 且 得 到在 以下 5种工况作用下前四阶的稳定安全系数和失稳模 态 图 ， 并作 比较 。 工况 1 ： 恒载 +整体降温 2 0； 工况 2 ： 恒载 +整体降温 1 0； 工况 3 ： 恒 载 ； 工况 4 ： 恒载 +整体升 温 1 0 ； 工况 5 ： 恒载 +整体升温 2 0。 5种工况 下稳定 安全 系数 如表 1所示 ， 图 3至图 6 分别为温度下降 2 0 c I = ， 1 O， 温度上升 1 O ， 2 0 时 的第 一 阶 模 态 。各 阶 模 态 稳 定 系 数 的 比 较 如 图 7 所示 。 表 1 温 度对稳定 系数的影响 ( a ) 平面 ( b ) 标准视 图 图 3 恒载 +整体降温 2 0时的第一阶失稳模态 2 0 1 3年第 4期 尚 军等 ： 温度对大跨径钢管混凝土拱桥稳定性影响 的研究 3 1 ( a 1 平面 ( b 1 标准视 图 图 4 恒载 +整体降温 1 O时 的第一 阶失稳模 态 ( a ) 平面 ( b ) 标准视图 图 5 恒载 +整体升温 1 O q c 时 的第一 阶失稳模 态 ( a 1 平面 ( b ) 标准视图 图 6 恒载 + 整体 升温 2 0时的第一阶失稳模态 l 0 8 籁 6 懈4 2 O 恒载+ 恒载+ 恒载 恒载+ 恒载+ 降2 0 T 降 1 0 T 升 1 0 T 升2 0 T 图 7 温度对稳定系数影响的 比较 4 结论 一阶失稳 一二阶失稳 口三阶失稳 口四阶失稳 1 ) 由表 1和图 7可 以知道， 该桥 的整体稳定系数 是随着温度的升高而降低， 随着温度的下降而提高的。 2 ) 相对于同一种工况 ， 温度升高得越大 ， 稳定系 数降低得越 多， 温度下降得越大 ， 稳定 系数提高得越 多 ， 这是 因为无论是混凝土还是钢管 的变形都会受到 温 度 的影 响。 3 ) 对于各工况来说 ， 起控制作用 的主要是第一阶 的失稳情况。经过分析可知， 当整体降温 l 0时 ， 该 桥的稳定安全系数大约增加了 3 ， 当整体降温 2 O 时， 该桥 的稳定安全系数大约增加 了 5 ， 当整体升温 l 0时 ， 该桥的稳定安全系数大约减少了 2 ， 当整体 升温 2 0时， 该桥的稳定安全系数大约减少 了4 。 4 ) 另外 ， 从 图 3至 图 6可 以发 现钢 管 拱 无 论是 整 体 升温还是整 体降温 ， 其失稳模 态大多数 还是面外 失稳 。 参 考 文 献 1 李 自林 桥梁工程 M 武汉 ： 华中科技 大学 出版社 ， 2 0 0 8 2 李 国豪 桥梁结构稳定与振动 M 北京 ： 中国铁 道出版社 ， 2 O1 0 3 付 宇文 ， 黎 卓勤 浙 江千 岛湖 南浦 大桥 钢管拱 肋 吊装方 案 J 交通标准化 ， 2 0 0 8 ( 5 ) ： 1 8 2 1 8 5 4 崔 军 淳安南浦大桥结构 内力非线性 分析 J 城市道 桥与 防洪 ， 2 0 0 4 ( 2 ) ： 9 1 0 5 盛 可鉴 风荷载作用 下的钢 管混凝 土拱桥非线 性稳定性 分 析 J 森林工程 ， 2 0 0 6 ， 2 2 ( 2 ) ： 5 3 5 4 6 李 自林 ， 刘明燕 ， 李妲 大跨度 钢管混凝 土拱桥 温度效应 研 究 J 铁道建筑 ， 2 0 1 0 ( 8 ) ： 1 8 2 0 7 刘 明燕 桁式钢管混凝 土拱 桥地震 响应 研究 D 天津 ： 天 津城 市建设学 院 ， 2 0 1 0 ( 责任审编 孟庆伶)