大跨度拱橋極限承載力分析的研究

大跨度拱橋極限承載力分析的研究

1結構體系的設計如圖1所示，陸浦大橋是一座大型橫跨式鋼拱橋，由中承拱橋組合。該橋跨徑組合為100m+550m+100m,橋面寬36m,矢跨比f/L=1/5.5,主橋邊跨采用跨徑為100m的上承式拱梁結構,兩邊跨橫梁之間布置強大的水平拉索,以平衡主跨拱肋的水平推力。橋面以下拱軸線為三次拋物線,橋面以上拱軸線為五次拋物線,沿拱軸采用變高度(拱腳H=9.0m,拱頂h=6.0m)、等寬度(B=5.1m)截面。中國在大跨度拱橋建設及其極限承載力研究方面均缺乏經驗。在設計時有些結構僅用一階穩(wěn)定的臨界荷載作為保證結構安全性的依據;有些重要結構在無法了解結構在復雜荷載作用下的臨界荷載時只能靠放大安全系數來保證結構的安全,這樣進行結構的設計和建造,勢必存在大量的隱患和浪費。因此,開展對大跨度拱橋極限承載力的研究是十分重要的。2結構的極限承載力分析目前,大跨度拱橋極限承載力常用分析方法有:(1)線性屈曲法(方法一)。假定結構和材料均是線性的,通過求解特征值的方法求出結構的失效因子λ,從而求出結構的極限承載力。(2)幾何非線性分析法(方法二)。假定材料是線性的,考慮了結構的梁柱效應以及大位移效應,通過增量和迭代相結合的方法求解結構的極限承載力。(3)幾何和材料非線性分析法(方法三)。結構和材料均為非線性,通過增量和迭代相結合的方法求解結構的極限承載力。3空間梁單元模擬為了進行結構極限承載力分析,采用大型有限元軟件ANSYS建立了一個盧浦大橋的三維有限元模型,如圖2所示。其中拱肋、系梁、橫撐以及立柱采用空間梁單元模擬(ANSYS中BEAM188單元);吊桿以及水平索(系桿)采用空間桿單元模擬(ANSYS中LINK10單元)。按照各構件的幾何特性不同分別區(qū)分為71種單元,其中拱肋采用空間梁單元為37種;系梁(參于主拱共同受力)采用空間梁單元為2種;橫撐采用空間梁單元為21種;橫梁采用空間梁單元為4種;立柱采用空間梁單元為4種;吊桿采用空間桿單元為2種;水平索(系桿)采用空間桿單元1種。4極端負荷分析4.1材料非線性分析(1)假定吊桿和水平索材料在分析中始終保持彈性,文中所用鋼材視為理想彈塑性材料,材料的屈服應力σy=345MPa。材料非線性分析中采用VonMises屈服準則。(2)初始活荷載集度q0=40kN/m,活荷載系數λ=qlq0λ=qlq0,其中:ql為施加活荷載集度。(3)由于盧浦大橋為變截面結構,結構無統(tǒng)一的恒載集度,因此,筆者采用活荷載系數作為結構的穩(wěn)定安全系數。4.2極限承載力分析根據前面介紹的三種分析方法,采用大型有限元分析軟件ANSYS分別計算了盧浦大橋在恒載+活載(全橋均布)作用下結構的極限承載力。計算結果如表1所示。圖3為拱肋跨中點豎向位移—荷載關系曲線;4.3結構非線性效應(1)從上面計算結果可以發(fā)現,采用方法一計算出結構的穩(wěn)定安全系數最高,方法二次之,方法三最小。這主要與分析中考慮結構非線性效應的多少有關。對于大跨度拱橋而言,結構材料非線性的影響最大。因此,要準確評估出結構的極限承載力必須采用幾何和材料非線性分析法。(2)研究表明,拱橋的屈服首先發(fā)生在拱角處,然后隨著荷載的增加,拱頂和拱肋其它部位逐漸屈服,最后,由于拱肋喪失了承載能力,導致拱橋整體失穩(wěn)。5結構極限承載力主要參數以上結果表明,非線性因素對結構極限承載力有很大影響。那么其它參數如荷載分布方式、材料特性變化、溫度變化等對結構極限承載力的影響如何?這些問題至今未得到很好解決。以盧浦大橋為算例,分別選取荷載分布方式、材料特性變化、溫度變化等主要參數作為變量,用結構的活荷載系數作為輸出結果來反映大跨度拱橋結構的極限承載力。下面計算結果中如不特別注明,均是采用方法三獲得。5.1拱肋跨中點豎向位移—荷載分布方式對結構極限承載力的影響為了考察不同荷載分布方式對結構極限承載力的影響。下面分以下兩種情況:①恒載+全橋均布活載;②恒載+左半中橋均布活載。圖4為拱肋跨中點豎向位移—荷載關系曲線(情況Ⅰ);圖5為拱肋跨中點豎向位移—荷載關系曲線(情況Ⅱ);圖6為考慮了所有非線性,兩種荷載方式作用下拱肋跨中點豎向位移—荷載關系曲線。從以上分析結果可以看出,與全跨均布活載情況相比,結構幾何非線性對半中跨均布活載下結構極限承載力影響較大;且半中跨均布活載作用下結構的極限承載力明顯低于全橋均布活載下結構的極限承載力。5.2系梁和拱肋都屈服情況下面分三種情況考察不同材料非線性對結構極限承載力的影響。情況Ⅰ:僅考慮系梁屈服;情況Ⅱ:僅考慮拱肋屈服;情況Ⅲ:考慮系梁和拱肋都屈服。計算結果如表2所示。從表2中可以看出,情況Ⅱ和情況Ⅲ計算出結構極限承載力一致,這表明拱肋材料非線性對結構極限承載力影響最大,而主梁材料非線性對結構極限承載力不產生影響,因此,在分析時可以忽略。5.3面外初始位移為了考慮中跨拱肋在拱平面外有初始位移的影響,假定初始撓度為半波正弦曲線,最大偏移分別取中跨跨長的1/5000、1/1000、1/500,計算結果見表3。從表3中可以看出,隨著中跨拱肋在面外初始位移的增加,結構極限承載力降低較少。這表明拱肋在面外存在的初始缺陷對拱橋面內極限承載力不會產生較大影響。5.4屈服應力對拱肋跨中點豎向位移—不同屈服應力對結構極限承載力的影響分別計算了屈服應力σy=345、382、420MPa的結構極限承載力。計算結果如表4所示。圖7為不同屈服應力狀態(tài)下,拱肋跨中點豎向位移—荷載關系曲線。從以上計算結果中不僅可以看出隨著材料屈服應力的增加,結構極限承載力有所提高。而且也反映出材料的屈服應力越低,結構進入塑性狀態(tài)越早,結構的剛度亦隨著降低。5.5鋼結構溫度變化為了考察溫度變化對結構極限承載力的影響,下面分以下三種工況:工況Ⅰ:恒載+升溫60℃+全橋均布活載;工況Ⅱ:恒載+全橋均布活載;工況Ⅲ:恒載+降溫15℃+全橋均布活載。筆者采用的鋼結構溫度變化主要參照上海最高和最低溫度確定。計算結果如圖8所示。從圖8中可以看出,溫度變化對結構極限承載力會產生影響,但影響不大。一般來說升溫時結構極限承載力有所提高;降溫時結構極限承載力有所降低。6結構極限承載力的影響因素及研究假設(1)采用線性方法和僅考慮結構幾何非線性的方法均會過高地估計結構的極限承載力,是偏于不安全的。因此,要準確評估出拱橋結構的極限承載力必須考慮材料的非線性特性。(2)拱肋材料非線性對結構極限承載力影響最大,而主梁材料非線性對結構極限承載力不產生影響,因此,在分析時可以忽略。(3)研究表明材料的屈服應力越低,結構進入塑性狀態(tài)越早,結構的剛度亦會隨著降低。(4)拱肋在面外存在的初始缺陷對大跨度拱橋面內極限承載力不會產生較大影響。(5)在其它條件相同的情況下,半中跨均布活載作用下結構的極限承載力明顯低于全橋均布活載下結構極限承載力?？梢?不同荷載分布方式將會直接影響到結構極限承載力。(6)溫度變化對結構極限承載力會產生影響,但影響不