下承式钢管混凝土拱桥稳定分析

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1、第21011卷0年第6月2期长沙铁道学院学报(社会科学版)June．2O1OV01．11No．2下承式钢管混凝土拱桥稳定分析吴海军。邹魁。余朝’(1．湖南省交通科学研究院，湖南长沙410015；2．湖南中大设计院有限公司，湖南长沙410075；3．中南大学交通运输工程学院，湖南长沙410075)摘要：通过工程实例，介绍了下承式钢管混凝土拱桥稳定性分析方法，包括线性和非线性。利用有限元理论，建立了此钢管混凝土拱桥计算模型；运用ANSYS软件对该桥线性和非线性稳定进行了模拟计算，得出安全稳定系数，其结果为该桥的设计提供了依据。关键

2、词：钢管混凝土拱桥；线性；非线性；稳定分析；ANSYS一、计算分析要点及内容极限荷载。(1)线弹性稳定分析：将结构外力作为荷载进行静力分二、工程概况析，获得此时的内力状态；再进行特征值分析，得到最小特征某大桥为81m下承式钢管混凝土拱桥，桥面系采用纵横值作为第一类稳定安全系数即失稳临界荷载系数；在临界荷梁体系。系梁采用高度为2．0m的实体截面预应力混凝土结载下，拱桥结构线性分析的平衡方程为：构，在主纵梁两端各3．5m范围内需加高至3m。顶宽31．5m，([]+[]){U}={P}(1)底宽各2．0m，桥面板厚0．3m。梁端设置

3、端横梁，在吊杆处设式中，[]为结构的弹性刚度矩阵；[]为结构的几何刚置中横梁，中横梁中宽度0．3m，中横梁端宽度0．5m。端横梁度矩阵，也称为初应力刚度矩阵；{)为节点位移向量；{P}及中间小横梁均采用矩形截面预应力混凝土结构。本桥共设为节点荷载向量。上式也是几何非线性分析的平衡方程。两榀钢管混凝土拱肋，拱肋的理论计算跨径为77．5m，计算矢为得到所遇平衡状态，应使系统势能的二阶变分为零，即高15．5m，矢跨比1／5，拱肋拱轴线采用二次抛物线。拱肋截([％]+[]){8U}={P}(2)面为哑铃型，截面高2．5m，上下拱管采用

4、cI)1000xl4mm，内灌因此必有：([]+[])=0(3)C50补偿收缩混凝土。上下钢管之间为106era高腹板，腹板式(3)中的结构弹性刚度矩阵为已知，因外荷载也就是待为厚度16mm的钢板。横向两拱肋之间设置3道风撑，风撑求的屈曲荷载，故几何刚度矩阵为未知的。为求得该屈曲荷采用桁架式，上下弦杆采用~200x6mm的空钢管、竖斜杆均采载，任意取一组外荷载{}，与其对应的几何刚度矩阵为用cI)100x6mm空钢管。拱肋设l5对厂制吊杆，吊杆间距顺桥[程]，并假定屈曲时的荷载为{尸0}的A倍，故有[]=向为4．Om，采用OV

5、M．GJl5—25钢绞线整束挤压拉索。A[砭]，从而式(3)可化为：三、计算模型([]+A[砭])=0(4)(一)有限元模型的建立将式(2—4)写成特征方程为：本计算模型中拱肋的钢管和混凝土均用梁单元模拟，并([]+A[砭]){}=0(5)分别赋予其材料特性以模拟钢管混凝土的特性。式中，A为第i阶特征值；{仇}为与A对应的特征向量，是相(1)拱肋上、下弦管为钢管混凝土，模型中采用BEAM188应该屈曲荷载时结构的变形形状，即屈曲模态或失稳模态。梁单元进行模拟；在ANSYS的特征值屈曲分析中，其结果给出的是A；和{}，(2)横梁

6、、纵梁和风撑均采用BEAM188梁单元模拟；即屈曲荷载系数和屈曲模态，而屈曲荷载为A{}；只用最(3)吊杆和系杆采用LINK10单元模拟，并将单元特性设小特征值在工程上才有意义，并且将该值作为后续非线性分置为只拉单元；析的参考荷载因子。(4)桥面板采用SHELL181单元模拟。线弹性分析法计算简便，概念清楚，但它的理论基础是分(--)风撑方案比选支点稳定理论，只能用于理想结构，不能考虑各种初始缺陷的风撑在钢管混凝土拱桥中起着非常重要的作用，风撑的影响。类型将直接影响全桥的稳定性。文中将对此下承式钢管混凝(2)非线性稳定分析：考

7、虑结构的初始缺陷、几何非线性土拱桥在五种风撑类型(三个单片桁式风撑、双片桁式风撑、和材料非线性，将特征值屈曲模态变形作为结构的初始缺陷中间对称K撑、两侧K撑和五个单片桁式风撑)作用下进行加入该结构，修正结构节点坐标后，结合第一类稳定的安全系弹性稳定分析，并通过比选，选择出最合适风撑形式。在实际数将结构外力加大若干倍，采用逐步加载的方式求解结构的工程中只关心结构的第一阶失稳模态，所以只进行第一阶模收稿日期：2010—05—12作者简介：吴海军(1981一)，男，湖南长沙人，工程师，硕士研究生。193态的计算。各种类型风撑在各工况

8、下稳定安全系数见表1。在各工况下进行计算，得到各第一阶屈曲模态如下图所示。1．施工工况的划分由于钢管混凝土的主梁施工采用满堂支架方案，所以仅考虑拱圈脱离支架后的最不利施工工况：(1)拱圈脱离支架，风撑已安装(自重+风载)(2)顶升上钢管管内混凝土，混凝土未达到强度，仅作荷载(