對(duì)鋼管混凝土拱橋受力分析及性能探討
摘要:鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)是常見而又復(fù)雜的實(shí)際問題，針對(duì)鋼管混凝土受力性能及抗震橫向?qū)μ岣吖袄叩臋M向穩(wěn)固性起到了極大的作用, 一同避開了拱頂段管內(nèi)混凝土不密實(shí)的問題.本文筆者以下進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞:鋼管混凝土;拱橋設(shè)計(jì)；抗震；分析
1 有限元模型簡介
某大橋的受力分析采用大型通用程序A N-SYS 進(jìn)行計(jì)算.建模時(shí), 拱肋、橋面縱梁、橫梁采用空間梁單元, 其中鋼管混凝土拱肋段采用雙單元法建模, 即在模型離散時(shí), 在同一段有限元模型中將鋼管和混凝土分別作為兩根桿件輸人, 但同時(shí)保證二者的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)完全相同, 在相同的節(jié)點(diǎn)間建立兩個(gè)單元, 一個(gè)單元賦予鋼管的材料屬性, 另一個(gè)單元?jiǎng)t賦予混凝土的材料屬性, 這樣兩種材料的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系可以得以輸人[4]; 系桿與吊桿采用拉桿單元, 橋面系采用梁格法模擬. 樁基的計(jì)算模型是用彈簧支承來模擬地基的水平抗力, 用m 法進(jìn)行計(jì)算.全橋共374 個(gè)
節(jié)點(diǎn),4 2 個(gè)梁單元, 有限元模型見圖1
圖1 某大橋有限元模型
2 橫向一類穩(wěn)定計(jì)算
某橋成橋后進(jìn)行了靜動(dòng)載測試本文在進(jìn)行橫向穩(wěn)定計(jì)算時(shí), 以靜載測試的四個(gè)工況為模型的荷載, 計(jì)算某大橋在各個(gè)工況下的一類穩(wěn)定系數(shù)(特征值)
靜載試驗(yàn)共進(jìn)行了4 個(gè)工況: 工況一為按口4 點(diǎn)彎矩最大; 工況二為拱腳負(fù)彎矩最大江況三為拱頂正彎矩最大; 工況四為拱腳推力最大布載。
分析時(shí)以管內(nèi)混凝土填充長度系數(shù)α為參數(shù)(參數(shù)a 含義見圖3).0 < a < 0.5 時(shí)為復(fù)合拱; 當(dāng)a= O 時(shí)為鋼管拱; 當(dāng)a = 0.5 時(shí), 為鋼管混凝土拱.計(jì)算中不考慮材料的非線性計(jì)算結(jié)果見圖2.
圖2穩(wěn)定系數(shù)變化趨勢圖
對(duì)該橋的彈性一類穩(wěn)定分析表明, 在各種加載工況下, 一階彈性失穩(wěn)模態(tài)不受混凝土充填系
數(shù)a的影響, 均為面外失穩(wěn)，但α對(duì)穩(wěn)定系數(shù)有影響.當(dāng)a 從0 變化至1/ 12 時(shí), 穩(wěn)定系數(shù)緩慢增長, 最大僅增加4.8% ; 此后, 穩(wěn)定系數(shù)增加較快,當(dāng)a 趨近L/4 時(shí), 穩(wěn)定系數(shù)均達(dá)最大值(除工況三) ; 此后隨a 增加穩(wěn)定系數(shù)反而下降, 在α=0.4 17 時(shí)達(dá)到最低點(diǎn)后又開始上升, 到a =0.5(鋼管混凝土拱)時(shí)穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到第二個(gè)峰值.因此, 從彈性一類穩(wěn)定系數(shù)來看, 坡充系數(shù)太小(小于1/ 1 2) 時(shí)管內(nèi)混凝土對(duì)穩(wěn)定系數(shù)提高的作用較小, α在0.25 附近時(shí), 效率最高; 超過0.25 時(shí)反而降低了拱的穩(wěn)定性能, 這可能是此時(shí)剛度增加的有利作用小于拱肋自重產(chǎn)生的不利影響. 當(dāng)然,鋼管混凝土拱的穩(wěn)定系數(shù)最大, 但從復(fù)合拱的角度而言, 鋼管與鋼管混凝土在拱肋L/4 處相接, 結(jié)構(gòu)一類彈性穩(wěn)定性最好。
3 橫向地震響應(yīng)分析
3 . 1 計(jì)算方法
反應(yīng)譜法是目前橋梁結(jié)構(gòu)抗展設(shè)計(jì)中廣泛使用的方法. 計(jì)算中考慮前100 階頻率的影響, 振型組合方法采用SRS 法(平方和開平方法), 按計(jì)算結(jié)構(gòu)重要性修正系數(shù)取17, 綜合影響系數(shù)取035, 水平地震系數(shù)取0.1, 豎向地展系數(shù)取水平地震系數(shù)的一半為0.05, 阻尼比取0.05.動(dòng)力放大系數(shù)β值根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算方向的自振周期或基本周期和場地土類別確定.地展作用由橫
橋向輸人.
3.2 橫向地展響應(yīng)計(jì)算結(jié)果
某大橋在承受橫橋向地震荷載作用時(shí), 隨著管內(nèi)混凝土填充長度的變化, 其拱肋內(nèi)力分布規(guī)律如圖所示. 其中, 拱肋所受的軸力較均勻; 而對(duì)拱肋彎矩而言, 其面外彎矩占主導(dǎo)地位,面內(nèi)彎矩則較次要; 其中面外彎矩拱腳處最大, 在橫撐處有突變, 而面內(nèi)彎矩則在拱頂處最大.圖4 ～6分別為橫向地展作用下拱頂、L/ 4、拱腳截面內(nèi)力隨拱肋填充長度的變化趨勢圖。
圖4 橫橋向地震作用時(shí)拱腳截面內(nèi)力變化圖
圖5 橫橋向地震作用時(shí)四分點(diǎn)截面內(nèi)力變化圖
圖6 橫橋向地展作用日創(chuàng)洪頂截面內(nèi)力州七圖
從圖4～6 可知, 當(dāng)拱橋承受沿橫橋向地展荷載時(shí), 拱肋各截面軸力相差不大, 其承載力是由拱腳處的面外彎矩控制.拱腳處的面外彎矩隨管內(nèi)混凝土填充長度的減少而降低, 在混凝土填充到四分點(diǎn)之前, 這種面外彎矩的變化較明顯, 降低幅度達(dá)麟.2 % ; 而當(dāng)填充長度在四分
點(diǎn)與拱頂之間變化時(shí),則面外彎矩的變化較小, 僅為7.1% ; 但同時(shí)四分點(diǎn)處面內(nèi)、外彎矩降低17.4 % 與25.7% , 拱頂處面內(nèi)、外彎矩降低69.8% 和118.4%.再從各截面軸力的變化規(guī)律來看, 在管內(nèi)混凝土填充長度達(dá)到四分點(diǎn)時(shí),其截面的軸力都接近于最低水平.
綜合以上分析可以看出, 當(dāng)拱橋承受橫向地震荷載時(shí), 與鋼管混凝土拱相比, 復(fù)合拱管內(nèi)混凝土填充至四分點(diǎn)能較好地減小各截面的軸力水平, 同時(shí)也能有效地減小拱肋各截面處的面內(nèi)、外彎矩水平。
4 結(jié)語
（l） 復(fù)合拱橋的彈性一類穩(wěn)定分析結(jié)果表明, 填充長度的變化不會(huì)改變拱的失穩(wěn)模態(tài), 而管內(nèi)混凝土填充至四分點(diǎn)時(shí), 穩(wěn)定系數(shù)較大, 效率最高。
當(dāng)拱橋承受橫向地震荷載時(shí), 與鋼管混凝土拱相比, 復(fù)合拱管內(nèi)混凝土填充至四分點(diǎn)能較好地減小各截面的軸力水平, 同時(shí)也能有效地減小拱肋各截面處的面內(nèi)、外彎矩水平.從以上復(fù)合拱橋橫向受力性能的分析可以看出, 與鋼管混凝土拱橋相比, 鋼管一鋼管混凝土復(fù)合拱橋這種新橋型的拱肋自重較小、重心較低, 當(dāng)復(fù)合拱管內(nèi)混凝土填充至四分點(diǎn)時(shí), 其穩(wěn)定系
數(shù)較大, 效率最高, 同時(shí)對(duì)降低橫向地展荷載作用下截面的內(nèi)力反應(yīng)水平效果最好, 因此, 建議在進(jìn)行復(fù)合拱橋的設(shè)計(jì)時(shí), 管內(nèi)混凝土應(yīng)填充至四分點(diǎn)處。
參考文獻(xiàn)
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