大跨度钢管混凝土拱桥的极限承载能力分析.PDFVIP

第 2 卷第 3 期 长 沙 理 工 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) Vol. 2 No. 3 2005 年 9 月 Journal of Changsha University of Science and Technology( Natural Science) Sep. 2005 ( ) 　　文章编号 :1672 - 9331 2005 03 - 0011 - 05 大跨度钢管混凝土拱桥的极限承载能力分析 张克波 , 羊日华 (长沙理工大学 桥梁与结构工程学院 ,湖南 长沙 　410076) 摘 　要 :介绍了同时考虑材料非线性和几何非线性的钢管混凝土拱桥稳定性分析方法. 采用该方法对茅草街 大桥模型试验的极限承载能力进行了分析 ,并讨论了不同的布载方式与风荷载对于结构极限承载能力的影 响. 通过计算分析表明 ,只有同时考虑结构的几何非线性与材料非线性 ,才能对结构的极限承载能力做出正 确的评估. 关键词 :钢管混凝土系杆拱桥 ;模型试验 ;几何非线性 ;材料非线性 ;极限承载力 中图分类号 : U448. 34 文献标识码 : A 随着钢管混凝土拱桥跨径的增大 ,宽跨比变得较小 ,其极限承载能力越来越引起工程师们的重视. 拱 桥极限承载力问题可分成两类 :一类是面内极限承载力问题 ;另一类是面外极限承载力问题. 由于钢管混 凝土拱桥的宽跨比较小 ,其极限承载能力往往表现为面外失稳[1 ,2 ] . 研究拱桥的极限承载能力的方法分为弹性屈曲和考虑几何非线性与材料非线性的稳定承载力分析 两种. 弹性屈曲不考虑结构初始缺陷与非线性因素 ,将拱桥看成是只受轴向压力的构件 ,并将其等效成欧 拉杆件. 这样做其力学概念单纯明确 ,使结构稳定问题转化为求解特征值问题 ,简化了计算 ,而且其临界 荷载近似地代表第二类稳定问题的上限 ,验算时候通常采用 45 倍的稳定系数 ,在以往的设计中采用此类 方法较多. 但是 ,实际上拱桥结构不可避免地存在初始的弯曲、偏心等缺陷 ,尤其对于大跨度拱桥结构 ,在 外荷载作用下 ,主拱肋的内力除了轴向压力外 ,弯矩和扭矩所 占比重也比较大 ,结构的变形呈非线性状 态 ,材料弹性模量将随着应力大小而变化. 因此 ,大跨度的钢管混凝土拱桥往往在弹塑性变形范围发生侧 倾失稳而达到极限承载能力. 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. 考虑拱的变形影响和材料弹塑性影响 ,须按几何 非线性和材料非线性理论来求得拱桥的失稳时的极限荷载 ,即采用本研究所介绍的两种方法来研究拱桥 的极限承载能力. 本研究采用这两种方法 , 以茅草街大桥模型试验为背景 ,运用大型有限元软件 Ansys ,精 确分析了其极限承载力 ,给出了相应的计算结果 ,并探讨了不同荷载形式以及风荷载对结构极限承载力 的影响. 1 　极限承载能力的两种分析方法 11 　线性屈曲分析方法 在线弹性情况下 ,纯压拱在临界荷载作用下的平衡方程是 : K + λ K δ ( ) e σ { } = 0. 1 　　　　　　　　　　　 收稿 日期 :2005 - 03 - 07 ( ) 作者简介 :张克波 1962 - ,男 ,湖南益阳人 ,长沙理工大学副教授 ,主要从事桥梁设计与计算等方面的研究. 12 长 沙 理 工 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 2005 年 9 月 式中: K e 为结构弹性刚度矩阵; K σ为参考荷载 F0 作用下的几何刚度矩阵, 只与构件的轴向力有关; δ λ