斜靠式钢管混凝土异形拱桥非线性稳定分析.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流斜靠式钢管混凝土异形拱桥非线性稳定分析.精品文档.斜靠式钢管混凝土异形拱桥非线性稳定分析第42卷第5期2010年10月西安建筑科技大学(自然科学版)J.XianUniv.ofArch.&Tech.(NaturalScienceEdition)Vo1.42No.50ct.2O10斜靠式钢管混凝土异形拱桥非线性稳定分析陈峰,贺拴海,胡大琳,刘浪,范伟擎.(1.长安大学旧桥检测与加固技术交通行业重点试验室,陕西西安710064;2.佛山市路桥建设有限公司,广东佛山528041;3.深圳市光明新区城市建设局,广东深圳518106)摘要:斜靠式拱桥是在无风撑拱桥基础上发展起来的一种新型拱桥结构型式.针对此类钢管混凝土异形拱桥的特点对其非线性稳定求解机理和方法进行了分析介绍,以一座拟建的大跨径斜靠式拱桥为例,采用通用程序ANSYS建立该桥的空间有限元计算模型,分工况对其成桥状态进行了线弹性,几何非线性和双重非线性稳定分析计算.同时分析了其主要结构参数(矢跨比,斜拱倾角,横撑数量及位置)对非线性稳定性的影响.计算分析发现:斜靠式拱桥的失稳形式一般表现为面外拱肋侧倾失稳;几何非线性对斜靠式拱桥稳定极限承载力影响较小,要准确的分析其稳定极限承载力必须采用双重非线性的分析方法;横向静风和桥上荷载分布对结构稳定有一定影响而对结构变形影响显着;结构稳定性与矢跨比和斜拱倾角增加均成正比,靠近拱脚和L/4处横撑对结构稳定性影响较大.关键词:斜靠式拱桥;几何材料双重菲线性;稳定;矢跨比;斜拱倾角;横撑中图分类号:U448.22文献标识码:A文章编号:1006-7930(2010)050649-07钢管混凝土拱桥以其特有的自重轻,强度大,抗变形能力强,施工方便和外形美观的优点,被大量地使用于桥梁结构中.随着城市景观要求的不断提高,对桥梁结构桥面开阔,畅通的要求也越来越多,少风撑或无风撑的敞开式钢管混凝土桥作为此类组合结构体系不断创新的代表也以多种变化形式而得到应用.斜靠式钢管混凝土拱桥作为一种新型的无风撑钢管混凝土异形拱桥,该结构体系的特点是取消桥面横撑的同时,在竖向拱肋(承重拱)的基础上增加了斜拱,为竖拱提供平面外的支撑而作为稳定拱,每侧倾斜拱肋与相邻竖直拱肋构成提供人行的桥梁空间,并与吊杆,桥面系纵横梁形成复杂的空间拱式结构体系口.其结构新颖美观,造型独特,富有曲线美和力度感.但是,由于斜靠拱取消了两个承重拱之间的桥面横撑,拱结构的空间受力体系发生改变.其斜拱的设置,导致拱肋刚度中心与拱肋重心偏离,竖向荷载将在拱肋产生面外弯矩作用,使得拱肋产生平面外变形,因此其结构的面外刚度往往低于常规拱桥,故其结构稳定性问题成为决定结构受力和性能的关键因素.大量研究表明,钢管混凝土拱桥的侧倾失稳大部分是发生在弹塑性变形范围,按弹性理论计算的拱桥侧倾稳定安全系就有可能大大超过实际值.因而有必要用弹塑性理论计算结构的稳定安全系数,按几何非线性和材料非线性理论来求得拱桥的失稳极限荷载作为拱桥的稳定荷载L1.本文以福建省某拟建的一座跨径为100m的斜靠式拱桥为例对此类拱桥的非线性稳定特性及影响稳定的结构因素进行分析,以探讨斜靠式拱桥的结构稳定规律.1非线性稳定求解1.1几何非线性稳定分析拱式结构,尤其是较为轻型的钢管混凝土拱结构的几何非线性主要是指在荷载作用下,拱轴线与荷载压力线的偏离问题,而这种偏离往往是难以避免的.对于钢管混凝土斜靠式拱桥而言,由于竖向承重收稿日期:2010032O修改稿日期:2010719基金项目:国家山区公路工程技术研究中心开放基金项目(gsg一201001)中央高校基本科研业务费专项基金,旧桥检测与加固技术交通行业重点试验室开放基金,长安大学基础研究计划支持计划专项基金资助项目(CHD2009JC041)作者简介:陈峰(1977一),男,河北井陉人,讲师,博士生,主要从事桥梁结构分析及评估,桥梁结构耐久性的研究.65O西安建筑科技大学(自然科学版)第42卷拱,斜向的稳定拱和横撑形成复杂的空间体系,其可能的轴线偏离将更为复杂.因此,严格说来斜靠拱的失稳属于第二类稳定问题,其几何非线性问题的求解基于以下基本假定:(1)结构构件横截面的变形保持平面;(2)不考虑翘曲变形;(3)荷载按比例增减(4)钢管与混凝土变形协调.利用虚位移原理得到U_L列式下拱桥结构的增量平衡方程:(k3.+志)dA:dP(1)尼.为t时刻坐标拖动后新平衡状态下单元弹性刚度矩阵;忌为t时刻坐标拖动后新平衡状态下初应力刚度矩阵;d(为节点位移;dP为荷载增量.通过将增量法和Newton-Raphson迭代法结合的混合法进行求解口;荷载增量逐级增大进行迭代后荷载因子累加,直至刚度阵趋于奇异而求解发散,偏安全的取前一级荷载累计增量值作为临界荷载.1.2材料非线性稳定分析斜靠拱属于无风撑拱结构,发生侧向屈曲时结构的应力大于材料的弹性极限,这时按弹性理论计算的拱桥侧倾稳定安全系数就有可能大大超过实际值.因而需要用弹塑性理论重新计算结构的稳定安全系数,即需要考虑材料非线性,材料非线性分析主要问题是材料本构关系的选取.钢管混凝土拱属细长结构物,有限元建模时构件一般按空间梁处理,但其在材料上又属于钢一混凝土组一构.在进行材料非线性特性输入时,采用韩林海提出的组合材料本构关系模型g,其理想化的单轴受压应力一应变关系曲线如图1所示.rEe(OA段).j(AB段)(2)fl+(s-sc)(BC段)OA段是线弹性阶段,AB段是弹塑性阶段,按抛物线变化,BC段是塑性强化阶段.由于钢管混凝土拱肋一般为圆截面,故式(2)中各参数按如下方法确定.式中:弹性模量E-=缮;强化阶段模量E一4208+550MPa;钢管混图钢管混凝土组合c构件本构关系凝土的名义轴压比例极限一o?2()+0.488F;弹性极限应变ePrelFig.on10fConhs.titcuFtisvTe=:3.25×10一fy;钢管混凝土的轴压屈服强度为:一(1.212+B+C)厂ck;.mp.it.mb钢管混凝土套箍系数值为:一;系数:Bo.1759()+o.974;c=0.1038()+.3.9;Q一fvexpA1=1-(爱)(是)一一(爱h)(P).其中:CP为弹性极限应变;为钢材的屈服极限;fc,fo分别为混凝土抗压强度设计值和强度标准值;A,A.为钢材,混凝土截面面积.1.3几何材料双重非线性求解方法考虑几何和材料非线性的结构增量平衡方程与公式(1)相类似,只是用弹塑性本构关系代替了弹性本构关系.荷载总量分成多级,逐级加载,每一个荷载步均采用NewtonRaphson迭代法进行迭代求解,逐步的施加荷载增量直到解开始发散为止,得到结构的荷载位移关系,则荷载位移关系曲线上的最大荷载值就是结构的极限荷载(即稳定系数).为保证计算结果的准确性,采用位移准则进行收敛判断6.2斜靠拱非线性稳定分析2.1T程背景该斜靠式拱桥桥主跨100m,机动车道21.4rn,主斜拱之间布置非机动车道和人行道,行道两侧外第5期陈峰等:斜靠式钢管混凝土异形拱桥非线性稳定分析651缘还设有弧形的观景平台,因而桥面宽度从主墩处5O.4m变化至跨中处56.4rfl;桥梁全长111.16m,主拱肋截面为哑铃型,高度2.7m,斜拱肋为圆形,直径1.2m,拱轴线均采用二次抛物线,矢跨比为1/4.5,斜拱倾角为25度,拱肋钢管采用厚14mm的A3钢板,钢管内灌注C50混凝土,主拱与斜拱之间设11道一字型横撑,横撑顺桥向间隔6m,采用壁厚20mm矩形钢箱截面,主拱和斜拱吊索的纵桥向间距均为3m.全桥总体布置如图2所示:图2桥梁设计效果图Fig.2Bridgedesignrendering图3桥梁结构计算空间模型Fig.3Finiteelementanalysismodel2.2结构有限元模型采用ANSYS程序建立空间结构有限元分析模型,主拱肋,斜拱肋,横撑,系梁,横梁,纵梁均采用三维空问梁单元Beam188单元模拟,吊杆和桥面板分别采用linklO单元和shell63单元来模拟.全桥共有节点1225个,单元2394个.空间有限元结构模型如图3所示.在考虑材料的非线性效应时,同时计入了主拱肋,斜拱肋和横撑的材料非线性.钢管混凝土材料的本构关系按统一理论(公式2)取用,通过使用ANSYS程序多线性等向强化模型(MKIN)来拟合对应的非线性应力一应变关系.另外,吊杆钢材采用理想弹塑性应力一应变关系.2.3成桥状态稳定分析稳定极限承载力分析部分的工况中计人了横向静风荷载的作用以考虑静风荷载对结构稳定性的影响进行比较分析,工况共6种,分别进行特征值屈曲分析,几何非线性分析和双重非线性分析:工况I:全桥恒载;工况:全桥恒载+风载;工况:全桥恒载+风载+半跨满布通行荷载;工况:全桥恒载+风载+半幅桥满布通行荷载;工况V:全桥恒载+半跨满布通行荷载;工况:全桥恒载+半幅桥满布通行荷载.各工况下稳定极限承载力(以稳定系数的形式表达)和失稳模态计算结果如表1,表2所示.因篇幅所限本桥的失稳模态只显示工况一作用下第一阶模态,如图4所示:表1各工况稳定计算结果Tab.1Resultsofbuckling652西安建筑科技大学(自然科学版)第42卷Stabilitcoefficientof7.6869elgenvalueanalysisStabilitycoefficientofgeometricallynonlinear7.4911analysis2Stabilitycoefficientofdoublenonlinear4.1346analysis3A1:2:31:0.97:CDISPLACEMENT人NSYSDISPLACMEN1人NSYS人NSYS川人NS,S图4工况I第一阶失稳模态图Fig.4Firstorderinstabilitymodeofthebridgeunderoperati'ngcondition1稳定计算结果证实由于斜靠式拱桥桥面主拱肋之间无横向联系,仅靠拱肋自重和斜拱支撑来维持其稳定,面外刚度较小,失稳形式为面外拱肋侧倾失稳.对于拱肋面外侧倾反对称失稳模态,其主拱肋L/4断面的横向位移将成为结构承载力控制关键,各工况下主拱肋L/4断面的横向位移全过程曲线如图5-6所示.可见,各工况结构横向位移将有显着的不同.图5工况I,V,拱肋L/4断面的横向位移Fig.5LateraldisplacementoftheL/4sectionunderoperatingmodes1,5and6图6工况,拱肋L/4断面的横向位移Fig.6LateraldisplacementoftheL/4sectionunderoperatingmodes2.3and4同时,由于本桥的施工方法为桥面系纵横梁系统整体支架现浇,因而对其成桥拱轴线影响很小,结构的几何非线性效应并不显着.从表1,表2的计算结果可以得到以下结论(1)各工况的双重非线性稳定系数均比弹性屈曲稳定系数与儿何非线性稳定系数小很多,对结构进行稳定分析时,必须对其进行双重非线性稳定分析.(2)横向风荷载对于双重非线性稳定系数影响不大,但是将显着增大结构局部横向位移,为结构的正常和安全使用性能带来较大影响.(3)该斜靠式钢管混凝土拱桥中恒载对其稳定安全系数起决定性的作用,活载影响较小(<11%),因而几何非线性对钢管混凝土拱桥的稳定性影响也很小,在考虑几何非线性的影响后,桥梁的稳定系数第5期陈峰等:斜靠式钢管混凝土异形拱桥非线性稳定分析653仅下降了4左右.(4)桥上荷载的分布对于结构的非线性稳定系数将带来一定影响,其失稳模态虽类似,但是所引起的结构局部变位将显着不同.3斜靠拱非线性稳定影响因素分析斜靠式拱桥是结构较为复杂的拱式结构体系,其稳定问题受到诸多因素的影响,本文根据拱式结构的一般受力特点提出矢跨比,斜拱倾角和横撑位置作为主要的研究要素来分析斜靠式拱桥非线性稳定影响因素问题口,为类比方便,统一取工况11(全桥恒载+风载)作为非线性稳定求解工况.3.1矢跨比的影响本文选取矢跨比从1/8到1/3,分别计算斜靠式拱桥的非线性稳定系数,结果如图7所示.由图7计算结果可见,随着矢跨比的逐步增大稳定系数稳步上升,在1/4.51/4范围达到最大值,之后则稳定系数将随着矢跨比增大而略有减小.图7非线性稳定系数随矢跨比的变化关系Fig.7Changeofnonlinearstabilitycoefficientwiththerisespanratio图8非线性稳定系数随斜拱倾角的变化关系Fig.8Changeofnonlinearstabilitycoefficientwiththeskewangleoftheinclinedarch3.2斜拱倾斜角的影响斜靠拱的斜拱倾斜角将显着影响到结构整体稳定性,本文选取斜拱倾角角度从10.,13.,16.,19.,22.,25.,28.到31.一系列变化分别求解结构非线性稳定系数,结果如图8所示.随着倾角的逐步增大结构稳定性逐渐提高一直到倾角22.以上时,稳定性提高已不明显,并且角度大于25.后桥宽过宽构造上的处理难度加大,因而倾角在22.25.之间变化对稳定性和结构整体构造是有利的.3.3横撑的数量和位置的影响斜靠式拱桥的横撑的主要作用是连接主,斜拱并提高全桥的稳定性,其位置,数量的变化都会对稳定性产生影响.在工况荷载作用下不同横撑数量对稳定性的影响如表3所示:表3横撑数量对稳定性影响Tab.3Stabilityofstructureunderdifferentnumberofbraces图9为单侧拱结构平面图,图中数字为横撑编号,分别将1#,2#,3#,4#,5#和6#横撑.单独去掉而保留其他位置横撑作非线性稳定性分析,并对比研究11道横撑全部保留时的稳定性,计算分析结果见表4所示.654西安建筑科技大学(自然科学版)第42卷通过计算结果的对比分析可以得到以下结论:(1)矢跨比的增大可以有助于提高结构稳定性,矢跨比适宜选取范围为1/4.51/4之间;(2)斜拱倾角的增大可以有效提高结构的整体稳定性,但是为了减少桥宽带来的构造处理影响,斜拱倾角选取范围为22.25.;(3)横撑的数量与稳定性成正比,拱脚处作用最大,1/4处次之,而拱顶横撑作用最小.4结语斜靠式拱桥作为一种空间结构复杂的异形拱桥,其稳定性必须考虑整体的空间受力特性.通过双重非线性稳定分析发现,仅考虑线性屈曲会高估结构的安全稳定系数,结果是不安全的,必须同时考虑几何非线性和材料非线性,才能更准确地计算出结构的稳定系数.并且,由于此类结构的本身较低的面外刚度,导致此类结构正常使用和结构使用性能的保证将不再是强度问题而是刚度控制的问题;最后通过对矢跨比,斜拱倾角和横撑数量,位置对稳定性的探讨,对于此类复杂的空间结构稳定特征有了较为深入的了解,为此类桥梁的设计和使用提供了必要的依据.参考文献References1金伟良.钢筋混凝上拱桥的极限承载力J.浙江大学,1997,31(4):450457.JINWeiliang.UltimatebearingcapacityofreinforcedconcretearchbridgesEJ-.JournalofZhejiangUniversity,1997,31(4):450457.E23ROBERTKW,JALII.NonlinearelasticframeanalysisbyfiniteelementJ.JournalofStructuralEngineering,ASCE,1983,109(8):19521971.3肖汝城,孙海涛,贾丽君,等.斜靠式拱桥J.上海公路,2004(4):2226.XIAORucheng,SUMHaitao,JiALijun,eta1.LeaningtypearchbridgesEJ.ShanghaiHighway2004(4):2226.4肖汝诚,孙海涛,贾丽君,等.昆山玉峰大桥一首座大跨度无推力斜靠式拱桥的设计研究J.土木工程,2005,38(1):7883.XIAORucheng,SUMHaitao,J1ALijun,eta1.KunshanYufengbridge-designofthefirstlongspanleaning-typearchbridgewithoutthrustEJ.ChinaCivilEngineeringJournal,2005,38(1):7883.E5WANGYuyin,ZHANGSu-mei,GENGYue,eta1.NumeacalsimulationandresearchontheHanRiverNorthBadgeEC8thInternationalConferenceonSteelConcreteCompositeandHybridStructures.Harbin,China.ASCCS,2006:227-233.6陈峰,胡大琳.大跨径钢管混凝土拱桥非线性静风稳定性分析口.长安大学:自然科学版,2006(2):4246.CHENFeng,HUDalin.Analysisforaerostaticsstabilityoflong-spanconcrete-filledsteeltubearchbridgeJ.JournalofChang'anUniversity(NaturalScienceEdition),2006,26(2):4246.7张阳,邵旭东,蔡松柏,等.大跨桁式钢管混凝上拱桥空间非线性有限元分析J.中国公路,2006,19(4):657O.ZHANCYang,SHAOXudong,CAISong-hai,eta1.Spatialnonlinearfiniteelementanalysisforlongspantrussed第5期陈峰等:斜靠式钢管混凝土异形拱桥非线性稳定分析655CFSTarchbridgeJ.ChinaJournalofHighwayandTransport,2006,19(4):6570.8许凯明,张明中,王估.大跨度钢管混凝土拱桥施工阶段非线性稳定分析J.西安建筑科技大学:自然科学版,2008,40(4):556566.XUKaiming,ZHANMing-zhong,WANJi.NonlinearstabilityanalysisoflongspanCFSTarchbridgeunderconstructionJ.J.XianUniv.ofArch.&Tech.(NaturalScienceEdition),2008,40(4):556566.9刘浪.斜靠式拱桥空间稳定性分析D.西安:长安大学,2008.LIULang.SpatialStabilityAnalysisofDoubleX-archBridgeD.Xian:Chang'anUniversity,2008.1O范伟擎.斜靠式拱桥设计参数研究D.西安:长安大学,2008.FANWeiqing.TheDesignParametersAnalysisoftheDoubleX-archBridgeD.Xian:Chang'anUniversity,2008.NonlinearstabilityanalysisoftheCFSTdoubleXarchbridgeCHENFeng,HEShuanhai,HUdalin,LIULang.,FANWeiqing.(1.KeyLaboratoryofBridgeDetection&ReinforcementTechnologyMinistryofCommunications(Xian)Chang'anUniversity,Xian710064,China;2.FoshanRoad&BridgeConstructionCo.,Ltd,GuangdongFoshan528041,China;3.ShenzhenGuangmingNewDistrictUrbanConstructionBureau,Shenzhen518106,China)Abstract:DoubleX-archbridgeisanewtypeofarchbridge,developedonthebasisofarchbridgestructurewithnobrace.AfteranalyzingandintroducingthecharacteristicsofdoubleXarchbridge,itpresentsthenonlinearstabilityanalysismechanismandsolvingmethodforthistypeofspecialshapedarchbridge.AnANSYSfiniteelementspatialanalysisroodelispresentedbasedonalong-spandoubleX-archbridgewhichisbeingconstructed.Usingdifferenttypesoftheoperatingmode,thestabilityanalysisforthebridgeconsideringthelinear,thegeometricalnonlinearandthedoublenonlinear(geometricandmateria1)arepresented,andtheinstabilitycharacteristicsdescribed.Furthermore,thekeystructuralparameters(theratioofrisetospan,therakeangleoftheinclinedarch,thenumberandlocationoftransverse)areproposedforanalyzingtheirinfluenceonstructuralstability.TheresultsshowthatthebucklingmodeofdoubleX-archbridgeisout-of-planebuckling;thatthegeometricalnonlinearhasnotaloteffectfortheultimatecarryingcapacityonthestabilityofthebridge;thatonlythematerialandgeometricalnonlinearanalysiscanassessthebridge'sultimatecarryingcapacityforstabilityaccurately;thatthetransversewindloadandtheloaddistributeonthebridgedeckhavesomeinfluenceonthestabilityandsignificanteffectonthedeformationofthistypeofbridge;thatthestructuralstabilitywillincreasewiththeadditionoftherise-spanratioandskewangleoftheinclinedarch;andthatthebracenearthearchspringerandL/4sectionhavelargeeffectonthestructuralstability.Keywords:doubleX-archbridge;geometricandmaterialnonlinearity;stability;rise-spanratio;skewangleoftheinclinedarch;braceBiography:CHENFeng,CandidateforPh.D.,Lecturer,Xian710064,P.R.China,Tel:00862982334439,E-mail:qcf7g1.ehd.