高速铁路中承式钢箱混凝土系杆梁拱组合桥极限承载能力分析.pdf

4 2 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 3 8 卷第 2期 2 0 1 2年 4月 高速铁路中承式钢箱混凝土系杆梁拱组合桥 极限承载能力分析 赵金钢， 占玉林， 赵人达 ( 西南交通大学桥梁工程系， 四川 成都6 1 0 0 3 1 ) 摘要： 采用有限元方法， 结合高速铁路中某特大中承式钢箱混凝土系杆梁拱组合桥工程实际， 建立了该组合体系 桥梁的全桥有限元模型， 进行了桥梁整体结构极限承载能力分析。分析过程中主要考虑了材料非线性、 几何非线 性 、 施工制造误差、 荷载效应、 钢与混凝土的组合效应等对桥梁极限承载能力的影响。研究结果表明， 主拱肋、 主纵 梁及横梁固结形式的中承式钢箱混凝土系杆拱梁组合体系具有刚度大、 承载能力高、 美观经济等特点， 在铁路尤其 是高速铁路建设中具有良好的应用前景。所得结论对今后同类桥梁设计和分析具有指导意义。 关键词： 钢箱混凝土； 极限承载能力； 梁拱组合桥； 钢管混凝土统一理论 中图分类号 ： U 4 4 8 2 1 6 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 4 2 0 5 S t u d y o f u l t i ma t e l o a d- b e a r i n g c a p a c i t y o f h a l f - t h r o u g h CFS B t i e d b e a m- a r c h c o mb i n e d br i d g e o n h i g h- s p e e d r a i l wa y Z HA0 J i n g a n g 。 Z HAN Yu l i n Z H AO R e n d a ( D e p a r t m e n t o f B ri d g e E n g i n e e ri n g ， S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： B a s e d o n a h a l f - t h r o u g h C F S B t i e d b e a m a r c h c o mb i n e d b ri d g e e n g i n e e ri n g p r e c t w i t h l o n g s p a n o n h i g h s p e e d r a i l w a y ， a f i n i t e e l e me n t mo d e l o f t h e c o mb i n a t i o n s y s t e m b ri d g e wa s s e t u p t o a n a l y s i s t h e u l t i ma t e l o a d b e a ri n g c a p a c i ty b y F E M A n a l y s e d t h e e ff e c t O i l u l t i ma t e l o a d b e a ri n g c a p a c i t y w h i c h a r e c a u s e d b y ma t e ri a l n o n l i n e a r ， g e o me t ri c n o n l i n e a r ， c o n s t r u c t i o n a n d ma n u f a c t u r e e r r o r ， l o a d e f f e c t s a n d t h e c o mp o s i t e p e r f o r ma n c e o f s t e e l a n d c o n c r e t e T h e r e s ult s s h o w t h a t t h e h a l f - t h r o u g h c o n c r e t e fi H e d s t e e l b o x ( C F S B )t i e d b e a m a r c h c o m b i n e d b ri d g e b y t h e ma i n a r c h 一 1 i b a n d t h e m a i n l o n gi t u d i n a l g i r d e r a n d c r o s s b e a m c o n s o l i d a t i o n s t r u c t u r e h a s h i g h s t i ff n e s s ， h i g h l o a d b e a ri n g c a p a c i t y a n d g o o d l a n d s c a p e T h i s t y p e o f b ri d g e h a s a b r o a d u s i n g p r o s p e c t o n h i g h s p e e d r a i l w a y C o n c l u s i o n s d r a w o f t h i s p a p e r i s v a l u a b l e t o t h e s i mi l a r b ri d g e d e s i g n a n d a n a l y s i s Ke y wo r d s ： CF S B； u l t i ma t e l o a d b e a ri n g c a p a c i t y ；b e a m- a r c h c o mb i n e d b ri d g e ； c o n c r e t e fi n e d s t e e l t u b e u n i fi e d t h e o r y 0 前 言 钢箱混凝土结构利用钢箱对混凝土的套箍作用 提高混凝土强度、 改善混凝土的塑性和韧性性能 ， 同 时钢箱内的混凝土可以延缓或避免钢材发生局部屈 曲， 能够充分发挥钢材材料性能， 刚度高、 易于连接 、 节省钢材。中承式钢箱混凝土系杆梁拱组合桥将钢 箱混凝土结构和系杆拱对地基承载能力要求不高的 优点相结合， 采用钢箱混凝土主拱肋与加劲主纵梁 和横梁固结的结构形式 ， 增大了结构刚度 ， 提高了主 拱肋的面外稳定性和承载能力 ， 同时还具有优美的 收稿 日期 ： 2 0 1 0 1 2 - 2 i 作者简介 ： 赵 金锕 ( 1 9 8 4一) ， 男 ， 山东聊城 人， 博士 ， 主要从事钢一混 凝土组合结构桥梁方面的研究 。 基金项 目： 商等学 校 博士学科点 专项科 研基 金( 2 0 0 9 0 1 8 4 1 2 0 0 3 3 ) ； 砥南交通 大学科技发展 蟮金( 2 0 0 9 K 0 4 ) Ema i l ： z j g l 5 1 5 1 5 1 6 3 3 0 1 11 曲线线形 。这是一种为适应高速铁路对桥梁结构高 刚度、 美观的要求而出现的新型桥梁结构形式 。国 内外学者对钢管混凝土拱桥的极限承载能力进行了 大量的研究 ， 但对钢箱混凝 土拱桥 的极限承载 能力和破坏机理的研究 尚未深入开展 ， 本文将依托 高速铁路 中某工程实例对 中承式钢箱混凝土系杆梁 拱组合桥的极限承载能力进行分析。 1 分析实例 该桥采用 ( 3 2+1 0 8+ 3 2 ) 13 3 的中承式三跨钢箱 混凝土系杆连续梁拱组合桥， 主拱肋和两边拱肋均 为钢箱混凝土结构 ， 拱肋中心间距 1 2 1T I 。该桥采用 主纵梁与主拱肋固结成整体的结构形式 ， 其总体布 置如图 1 所示。主跨跨径 L=1 0 8 I n ， 计算矢高f= 2 5 In； 边跨为跨径 = 3 2 m， 计算矢高I厂 =1 1 7 5 In的 半拱。主拱肋及边拱肋的拱轴线均采用二次抛物 线 ， 钢箱采用 Q 3 7 0钢材 ， 内灌 c 5 0微膨胀混凝土。 赵金钢 ， 等： 高速铁路中承式钢箱混凝土系杆梁拱组合桥极限承载能力分析 4 3 主拱肋截面宽 1 6 m， 截面高度 由拱顶 2 m到理论拱 脚处 2 6 m； 边拱肋截 面宽 1 6 m， 截面高度 由拱顶 1 9 m到理论拱脚处 2 6 m； 主纵梁截面宽 1 6 m， 高 2 1 m。主纵梁内设置四束 预应力系杆 以减小拱 脚水平力。桥面采用纵横梁体系， 在纵梁 、 横梁及主 纵梁上翼缘焊有剪力钉 与混凝土桥面连接 ， 纵横梁 顶面与主纵梁顶 面平齐。桥 面板 采用 C 4 0补偿 收 缩混凝土 ， 通过剪力钉与纵横梁和主梁连接。吊杆 采用直径 1 2 0 11的圆形截 面刚性 吊杆 ， 吊杆 间距 5 4 m， 全桥共设 有 2 2根 吊杆。在主拱拱脚设置活 动支座 ， 支座布置如图 2所示。主拱肋设有 4道 K 形横撑和 1 道一字横撑 ， 边拱肋各设 1 道一字撑。 图 1 桥梁总体示意 Fi g1 Ar r ang e me nt s ke t c h o f t he g e ne r a l br i dge 图 2 支座 布置形 式 F i g 2 S e t ti n g o f b r i d g e b e a r i n g s 2 有 限元模型 本文采用通用有 限元软件 A N S Y S建立空问有 限元模型 ， 如 图 3所 示。全桥共 划分 7 6 9个节 点 ， 1 0 0 7个单元 ， 其中主拱肋 、 边拱肋、 主纵梁 、 小纵梁、 横梁横撑和立柱采用 B e a m1 8 8单元模拟。B e a m1 8 8 单元是基 于 T i mo s h e n k o梁单元理论可 以考虑 几何 非线性和材料非线性行 为， 该单元还可以考虑大位 移 、 大转动 、 应力钢化效应和剪切变形的影响。吊杆 和系杆采用三维 L i n k l O单元模拟 。考虑到桥 面板 与纵横梁之间的联系较弱， 几乎不参与整体结构受 力， 有限元模型中没有考虑桥面刚度， 而是将桥面板 的重量作为荷载均布在小纵梁上。主拱肋和边拱肋 在拱脚位置固结刚度较大 ， 在有限元模型 中将拱脚 位置单元弹性模量值加大 1 0 0倍以模拟实桥情况。 图 3 有限元模型 F i g 3 F i n i t e e l e me n t mo d e l 本文中， 支座形式按实桥支座布置施加 。 基于文献 2 ， 本文在 A N S Y S有限元模型中计 算分析钢箱混凝土材料非线性时假定： 钢箱和混凝 土之 间没有相对滑移和变形 ； 从加载到破坏的整 个 过程 中， 平截面假定成立 ； 结构的破坏对截面的形状 与面积没有影响。 由于该桥采用主纵梁与主拱肋 固结的方式 ， 增 加主拱肋的面外稳定性 。因此要考虑加劲主纵粱对 桥梁极限承载能力的影响 ， 对主拱肋 、 边拱肋和主纵 梁考虑几何非线性 和材料非线性 ， 其它构件只考虑 几何非线性的影响。 1 ) 钢材的本构关系 有限元模型中， 主纵梁钢材采用双线性随动强 化模型( 图 4 ) 模拟。其中， 8 与 分别为极限应变 和极限抗拉强度。 图 4钢材本构关 系示意 Fi g 4 Con s tit ut i v e r e l at i o n c ur v e o f s t e e l 2 ) 钢箱混凝土材料本构关系 钢箱混凝土是由钢材和混凝土两种材料组成的 组合材料， 利用钢箱对混凝土的套箍作用来提高结 构的承载能力达到节约材料 、 减小结构尺寸的目的。 基于文献 1 - 2 ， 本文利用钢管混凝土统一理论， 将 钢箱混凝土等效为一种材料 ， 采用多线性随动强化 模型建立钢箱混凝土的本构关系。其理想化的单轴 受压应力一应变关系如 图 5所示。其中， ， s 分 别为组 合材料 的 比例极 限应变 和强度 极限应 变； E E 分 别为组 合材料 的弹性 模量 和切 线模量 ； 分别为组合材料的比例极限应力和强度标准 值。 对应 于钢管混凝土偏心受压的某一纤维的纵向 应力 ， 与纵向应变相同时的轴心受压的应力状态有 一 些区别 ， 但差异不大， 可以近似地用轴心受压的本 构关系计算相应 的偏压 问题 J ， 并且拱肋 以受压 为 主， 因此本文决定依据钢管混凝土轴压本构关系分 析计算结构的极限承载能力 。影响钢管混凝土本构 关系曲线的主要 因素是套箍系数 ， 对应不同的套 箍系数 值本构关系曲线总体上呈现上升、 平缓和 下降趋势。其本构关系总体上分为线弹性阶段、 弹 塑性阶段和塑性强化 阶段。对于钢箱混凝 ： t 结构： 四川建筑科学研究 第 3 8 卷 当 4 5时 ， 塑性强化阶段呈上升趋势 ； 当 = 4 5 时 ， 塑性强化阶段为平直段 ； 当 4 5 ， 塑性强化 阶 段呈下降趋势。 E t C C A 、 、 E一 图 5 钢箱混凝土材料本构 关系 F i g 5 Co n s t i t u tiv e r e l a t i o n c u r v e o f CF S B O A段为线弹性阶段， 采用文献 2 提出公式 ( 1 ) ( 3 ) 计算组合材料的力学性能指标； A B段为 弹塑性阶段， 采用文献 2 提出的公式计算组合材 料的强度标准值厂 ， 其切线模量在软件中较难实 现， 经分析文献 3 中推导得到的钢管混凝土切线 模量计算公式也适用于钢箱混凝土并且易于在有限 元软件中实现， 因此采用文献 3 中的公式计算切 线模量 E 。 ， 如式 ( 4 )( 5 ) ； B C段是塑性强化阶段 ， 因为该桥拱肋钢箱混凝土 的套箍系数 6 0。 4 计算结果分析 4 1 弹性屈 曲分析 结构承受的荷载主要有一期恒载、 二期恒载和 活荷载。依据 高速铁路设计规范( 试行) 将高 速铁路 Z K活荷载等效为均布荷载施加在小纵梁 上。为分析活荷载布置形式对桥梁稳定安全系数 的 影响， 本文对比分析了 5种工况下 的结构弹性稳定 安全系数 ： 工况一 ： 一期恒载 +二期恒载 ； 工况二 ： 一期恒载 +二期恒载 +全桥单线活荷 载； 工况三 ： 一期恒载 +二期恒载 +全桥双线活荷 载； 工况四： 一期恒载 +二期恒载 +半跨双线活荷 载； 工况五 ： 一期恒载 +二期恒载 +半跨单线活荷 载。 各工况对应的弹性稳定安全系数见表 1 。典型 工况下模型弹性失稳形式如图6所示。由表 l 可 以 看出， 由于活荷载相 比于恒荷载所 占比重较小 ， 移动 荷载布置方式对结构整体稳定安全系数影 响较小。 因此， 本文中不考虑活载不同布置方式的影响 ， 只考 虑全桥双线活荷载这一典型工况的情况。 表 1 各 工况结构稳定安全系数 Ta bl e 1 Eac h o p er a t i ng c o ndi t i o n s o f s t r u c t ur e s a f e t y c o e f fic i e n t 呈 堡二 堡 三 堡三 丝 堡亘 安全系数 K 4 4 0 9 3 6 3 8 3 5 6 2 3 3 9 6 3 2 1 2 由图 6可见， 结构失稳时主要是主拱肋和主跨 主纵梁横向位移过大， 发生面外失稳破坏， 而两边拱 肋和边跨对应主纵梁位移较小 。因此 ， 该桥的承载 能力主要受主拱肋和主跨主纵梁控制。本文在极限 承载能力分析时， 取主拱肋和主跨主纵梁的位移和 应力等指标研究该桥的极限承载能力。 赵金钢 ， 等： 高速铁路中承式钢箱混凝土系杆梁拱组合桥极限承载能力分析4 5 图6 模型空间位移形状 Fi g 6 De f o r ma t i o n s h a p e o f m o d e l 4 2静力失稳全过程分析 采用全桥有 限元模型对算例进行荷载工况 ： 一 期恒荷载 + 二期恒荷载 + 全桥双线活荷载作用下的 极限承载能力分析。以结构的弹性特征值分析的矢 量屈 曲形状为基础 ， 给模 型施加初始缺 陷模拟实桥 由于施工制造误差引起的缺陷。将弹性特征值分析 得到的荷载作为荷载的上限值分成有限荷载步分级 施加到结构上， 并考虑材料非线性和几何非线性对 结构承载能力的影响， 采用 N e w t o n R a p h s o n迭代方 法对结构从加载直 至破坏的全过程进行分析 ， 绘制 荷载系数位移曲线、 提取结构应力分析结构从加 载直至破坏的全过程， 得到结构 的极限荷载。 由图7可见 ， 拱肋位移在 A达到 9 3 1之前 ， 节 点位移随荷载系数增大为不断增大， 当A大于9 3 1 之后节点位移增大幅度不断增大； 由于桥梁拱脚支 座布置形式不对称 ， 节点位移不对称 ， 但是跨 中附近 节点位移量最大， 为便于分析， 取主拱肋拱顶节点位 移作荷载系数一位移曲线以分析主拱肋的荷载一位 移关系。由图8 可见， 主纵梁位移值大于主拱肋位 移值， 两者位移形式基本一致， 取主纵梁跨中节点的 位移绘制荷载系数一位移曲线分析主纵梁的荷载一 位移关系。 图 7 主拱肋位移分布 F i g 7 Di s p l a c e m e n t d i s t r i b u ti o n o f ma i n a r c h - l i b 至 ： -40 2 0 0 2 0 4 0 横向位移 m 图8 主纵梁位移分布 F i g 8 Di s p l a c e me n t d i s t r i b u t i o n o f ma i n l o n g i t u d i n a l g i r d e r 图 9 ， 1 0所示为主拱肋拱顶节点荷载系数一横 向( 竖向) 位移关系曲线 。可以看出， 主拱肋在荷载 逐渐增加直到破坏 的过程中， 拱肋既有面外 的横向 位移 ， 又有面内的竖向位移。当 A小于 9 3 l时， 拱 肋的横向( 竖向) 位移较小， 随外荷载的增加基本按 线性关系增大 ， 主拱肋截面应力以压应力为主， 应力 值在弹性 比例极限应力范围内； A达到 9 3 1后 ， 拱 肋的横向( 竖向) 位移随外荷载的增加呈非线性关 系增大 ， 结构刚度下 降位 移急剧增加 ， 拱梁 固结位 置、 拱脚位置 、 拱顶位置单元进入塑性阶段； 直至 A 达 lJ l 3 1 l ， 主拱肋与主纵梁固结 区域和右拱脚附 图9 主拱肋荷载系数一横向位移关系 F i g 9 A t r a n s v e r s a l d i s p l a c e me n t r e l a tio ns h i p c ur v e o f ma i n a r c h 1 i b 图 1 O 主拱肋荷载系数一竖 向位移关系 Fi g 1 0 A - v e r t i c a l d i s p l a c e m e n t r e l a ti o n s h i p c ur ve o f ma i n a r c h- l I b 四川建筑科学研究 第 3 8卷 近单元压应力达到极限值 ， 荷载系数一位移 曲线进 入水平增长阶段 ， 发生失稳破坏 ， 此时荷载为极限荷 载 ， 即 A =1 3 1 i 。 图 1 1 ， 1 2所示为主纵梁跨中节点的荷载系数一 横向( 竖向) 位移关系曲线。主纵梁跨中节点横 向、 竖 向位移稍大于主拱肋拱顶节点横向、 竖向位移， 但 变化趋势一致。在 A小于 1 3 1 1时， 主纵梁与主拱 肋固结位置单元应力较大， 尚未达到屈服应力； 当 A 达到 1 3 1 1时， 主纵梁与主拱肋 固结位置单元应力 较大 ， 应力达到屈服应力形成塑性铰 ， 主纵梁达到极 限荷载 ， 发生失稳破坏。 图 1 1 主纵梁荷载系数一横向位移关系 Fi g 1 1 A- t r an s v e r s a l di s p l a c e m e n t r e l a t i o ns hi p c u r v e o f ma i n l o n g i t u d i n a l gi r d e r 图 1 2 主纵梁荷载系数一 竖向位移关系 Fi g 1 2 A- v e r t i c a l d i s p l a c e m e n t r e l a tio n s h i p c ur v e of ma i n l o ng i t u di n al g i r d e r 按式( 8 ) 计算结构达到极限承载能力时的稳定 安全系数K为7 2 ， 满足要求并有较大的安全储备。 5 结 论 本文分析了某座高速铁路中承式钢箱混凝土系 杆梁拱组合桥在一期恒载 +二期恒载 + 全桥双线活 载工况下的极限承载能力 ， 得到以下结论 ： 1 ) 采用钢管混凝土的统一理论建立高速铁路 中承式钢箱混凝土系杆连续梁拱组合桥有 限元模 型 ， 分析其极限承载能力 ， 为该种桥型今后的应用提 供借鉴意义。 2 ) 梁拱 固结 的结构形 式能够提高结构 的极 限 承载能力。 3 ) 按弹性屈曲计算结构的极限承载能力偏于 不安全， 应该考虑非线性对材料极限承载能力的影 响。 4 ) 这种桥 型的主纵梁和主拱肋 固结 区域是桥 梁的薄弱区域 ， 达到极限承载能力时， 就是由于这一 区域的主纵梁和主拱肋单元达到极限应力， 发生屈 服， 导致结构刚度显著降低， 失去继续承载的能力， 荷载系数一位移 曲线 出现水平段 ， 发生极值点失稳 破坏。因此， 在设计该类桥梁是要着重加强拱梁 固 结区域的刚度 ， 以防止这一区域发生破坏影响桥梁 的使用。有关该区域的局部应力分析及荷载试验正 在进行中， 有待后续发表 。 参 考 文 献 ： 1 钟善桐 钢管混凝土结构【 M 北京： 清华大学出版社， 2 0 0 3 2 韩林海 钢管混凝土结构一理论与实践 M 北京： 科学出版 社 ， 2 o o 4 3 谢肖 礼， 赵国藩， 邹存俊 钢管混凝土拱桥肋拱面内极限承载 力全过程计算机模拟 J 土木工程学报， 2 0 0 4 ， 3 7 ( 5 ) ： 5 4 - 5 8 4 云迪， 张素梅 大跨中承式钢管混凝土拱桥极限承载能力 J 吉林大学学报： 工学版， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 6 ) ： 1 3 0 8 1 3 1 2 5 张建民 ， 郑 皆连 ， 秦荣 南宁永 和大桥双重 非线性稳定 分析 J 公路交通科技， 2 0 0 2 ， 1 9 ( 3 ) ： 5 8 - 6 2 6 陈宝春， 盛 叶 钢管混凝土哑铃形拱面内极限承载力研究 J 工程力学， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 9 ) ： 9 4 1 0 4 7 孙潮， 郑怀颖， 陈宝春 东莞水道特大桥面内受力双重非线 性有限元分析 J 福州大学学报： 自然科学版， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 1 ) ： 1 0 9 1 1 3 8 颜全胜 ， 驼宁安 ， 韩大建 ， 等 大跨度拱桥 的非线性 与稳定 分析 J 华南理工大学学报 ： 自然科学版， 2 0 0 0， 2 8 ( 6) ： 6 4 - 6 8 9 陈宝春， 秦泽豹， 彦坂熙， 等 钢管混凝土拱( 单圆管) 面内受力 双重非线性有限元分析 j 铁道学报， 2 0 0 3 ， 2 5 ( 4 ) ： 8 0 8 4 1 0 K id a T U l t i m a t e S t r e n g t h a n d D u c t i l i t y o f S t a t e o f - t h e a r t C o n c r e t e F i L e d S t e e l B ri d g e P i e r s i n J a p a n J E n g i n e e ri n g S t r u c t u r e s ， 1 9 9 8 ， 2 0 ( 4 _ 6 ) ： 3 4 7 5 4 1 1 K v e d a r a s A K ， S a p al a s A R e s e a r c h a n d P r a c t i c e o f C o n c r e t e F i l l e d S t e e l T u b e s i n L i t h u a n i a J J o u r n a l o f C o n s t r u c t i o n a l S t e e l R e s e a r c h ， 1 9 9 9 ， 4 9 ( 2 ) ： 1 9 7 - 2 1 2 1 2 T B 1 0 6 2 1 2 0 0 9高速铁路设计规范( 试行) s