基于ANSYS的钢管混凝土拱桥的稳定性分析

工程科技　・２１３・　基于ＡＮＳＹＳ的钢管混凝土拱桥的稳定性分析　陈放婵　（重庆交通大学．重庆４０００７４）　摘要：本文基于弹性理论的内力变形验算和特征值分析验算，考虑非线性的影响，通过ＡＮＳＹＳ大型有限元软件，分工况对主跨径　为２６５ｍ的上承式钢管混凝土拱桥稳定分析。一阶屈曲模态为面外失稳时，应注意增强横向刚度。计算表明，考虑双重非线性得到的结构　稳定安全系数远小于在线弹性情况下和仅考虑几何非线性得出的稳定安全系数，双重非线性也不是几何、材料非线性的简单叠加。　关键词：线弹性；稳定安全系数；几何非线性；材料非线性；双重非线性　钢管混凝土组合结构以其经济效益好、承载力高、施工便利等优点　逐渐被＾们发现并应用在拱结构上。　钢管混凝土拱桥迅猛发展，跨径不断增大，宽跨比逐渐减小，施工　过程中存在的许多初始缺陷（如拱轴线偏离），使得桥梁的稳定问题就　变得尤为重要。本文基于弹性理论的内力变形验算和特征值分析验算，　考虑非线性的影响，通过ＡＮＳＹＳ大型有限元软件对大跨上承式钢管混　凝土拱桥进行计算，得到一些有益的结论。　１稳定分析理论　１．１弹性特征值屈曲分析。线性屈曲即假定结构和材料均是缵眭　表１线弹性一阶稳定安全安全系数　的，结构的内力与外荷载成比例关系，将结构的稳定分析转化为求解特　征值问题，其最小特征值即为失稳临界荷载。该理论仅用于理想结构，　不考虑初始缺陷。　１．２几何非线性稳定分析。几何非线性屈曲即假定材料是线性的，　考虑结构的梁柱效应及大位移效应。对拱来说，几何非线性主要考虑在　管混凝土拱桥的弯矩随着变形的增大而增加，结构的受力的线性屈曲　荷载的作用下，拱轴线与荷载压力线的偏离问题。　１．３材料非线性稳定分析。考虑材料非线性问题主要是材料本构关　影响相应地被削弱，此时仍为偏安全的。几何非线性对全桥屈曲分析存　考虑几何非线陛是非常必要的。　系的选取。钢结构的本构关系采用刚塑牲本构关系，根据失稳破坏不得　在一定程度的影响，３．３材料非线ｆ生稳定分析。仅考虑材料非线眭，工况１、２．３的稳定安　先于强度破坏的原则，采用边缘纤维屈服准则得到的不考虑荷载分项　７８３、４．１９７、３．９５６，其与线弹性稳定安全系数比值分别　系数的整体稳定安全系数，应该大于容许应力安全系数。｝昆凝土的应力　全系数分别为４．为：０２７３、０．６０６、０．５９７。计算结果表明：材料非线性对大跨度钢管｝昆凝土　应变本构关系参照文献［４］。　拱桥的稳定性影响很大，较线弹性稳定安全系数，工况１，工况２计人材　２稳定分析模型　７％，３９．４％，系数仍大于４；工况３安全系数为　２．１有限元模型参数。本文的稳定计算模型为主跨径２６５ｍ上承式　料非线性后系数下降２２．９５６＜４，其值下降４ｆｆ３％。　钢管混凝土拱桥。计算矢高５３ｍ，矢跨比１：５，拱轴线为拱轴系数ｍ＝１．　３．３．４双重非线性稳定分析。运用有限元分析计算方法，同时考虑几何　５４３的悬链线。主拱圈由两片拱肋组成，两拱肋中到中间距７．７ｍ，每片　２、３的稳定安全系数分别为４．６８９、３．８５７、　拱肋由４根　ｌＯ００ｍｍ钢管组成的高５ｍ，宽２．５ｍ的钢管桁架，水平向　非线性和材料非线性。工况１、３３４，其与线弹Ｉ生稳定安全系数比直分另Ｕ为：０２５８、０．５５７、０．５０３。由计算　由８＝１２ｍｍ缀板连接两根主钢管。腹杆采用　４０２　Ｘ　１２ｍｍ钢管作竖　３．向连接。拱上立柱采用　１０００×１２　ｍｍ钢管。钢管内均灌注Ｃ５０混凝　结果可知，考虑双重非线性得到的结构稳定安全系数远远小于线弹性　下的稳定安全系数和仅考虑几何非线性得出的稳定安全系数。成桥阶　土。并设置横撑保持横向稳定性。　结构的稳定安全系数都小于规范的值４，结构偏不安全。对于工况　２．２工况划分。采用缆索吊装施工，针对施工过程中的裸拱及成桥　段下，稳定安全系数减低最多，其值约为线弹性下求出的特征值稳定安全　阶段叵载、活载的影响，分为以下几个计算工况：工况１：裸拱（施工阶　３，存在一　段）；ＳＥ况２：成桥运营阶段自重＋二期恒载；工况３：成桥运营阶段自重　系数的５０％。双重非线性并不是几何、材料非线性的简单叠加，定的耦合关系。　＋二期恒载十全桥满布均布车辆荷载。　３稳定性分析　４结论　图２几何非线性分析的ｎ一△曲线　＆对于施工阶段的裸拱，一阶屈曲模态为单波面外对称失稳，应注　３．１线弹性稳定性分析。线弹性计算结果（表１），分析表明：成桥工　ｂ．仅考虑材料非线性的稳定，较仅考虑几何非线性的　况２，３的前几阶模态线弹『生稳定安全系数很接近，表明活载对该桥的　意增强横向刚度；稳定安全系数降低更多．ｃ．考虑双重非线性得到的结构稳定安全　稳定性影响较小，恒载影响大，决定该桥整体稳定性因素是桥梁本身的　稳定，生的稳定安全系数和仅考虑几何非线性得出的稳定安　结构与构造，一阶线弹ｌ生失稳都为双波面内反对称失稳。工况１的线弹　系数远小于线弹ＩＬ双重非线眭并不是几何、材料非线ｆ生的简单叠加，存在一定的　性稳定安全系数为６．１８５＞４，一阶屈曲模态为单波面外对称失稳（图１），　全系数。ｃ耦合关系。　故在施工时应增强横向刚度，防止发生面外失稳。　参考文献　３．２几何非线性稳定分析。由于各种因素的影响，实际结构不可避　１］陈宝春，郑皆连．钢管混凝土拱桥实例集嗍．北京：人民交通出版社，　免地存在初始缺陷。分析时，取此钢管混凝土拱桥Ｏ．１％Ｌ的位移为几何　【　初始缺陷，不考虑材料非线性，仅考虑大变形。计算结果：工况１、２．３的　２００２．２１项海帆．高等桥梁结构理论　．北京：人民交通出版社，２００１．　几何非线性稳定安全系数分别为：５２７９、６Ａ１１、６．１０９，其与线弹性稳定　『３悸国豪挢梁结构稳定与振动　ｑ．北赢中国铁道出版社，１９９６．　安全系数比值分别为：０．９３４、０．９２５、０．９２２。几何非线性对成桥的影响为　『４１过镇海．混凝土的强度和本构关系—原理与应用呻北京：中国建筑工　稳定安全系数降低７％～８％，对裸拱稳定安全系数降低６．６％。在荷载作　『　用下，对工况３全桥做静力分析，找到位移最大的　￣（３／８截面附近处）　业出版社．１９９９．５］陈世民，周仁忠．大跨径钢管砼拱桥非线性稳定性分析叨．重庆交通学　和位移最大的方向（竖直方向），在几何非线性分析控制中将这个点和　［２００７，２６（２）：９—１３．　位移方向作为控制点和控制方向，进行几何ｊＩｚ线性稳定ｌ生分析（初始缺　院报，６］张兴春翎管混凝土系杆拱桥施工关键技术及整体稳定性分析叩．铁道　陷为Ｑ１％Ｌ的位移），图２为静力分析下竖向位移最大节点几何非线陛　【２０１２（６）：５－７．　分析的叩一△（荷载一位移）曲线，△为位移，荷载系数（外荷载与设　建筑，７】曾勇，于福，谭红梅．考虑初始几何缺陷的大跨度上承式钢管混凝土拱　计荷载之比）。由图２可知，曲线在开始阶段呈线陛变化，当到达一定的　ｒ铁道建筑，２０１４（￣：１７—１９．　加载系数叩后，曲线趋于平缓，此时荷载不再增大，位移增速加快。钢　桥的非线性稳定研究明．