大跨度拱桥极限承载力分析的研究

大跨度拱桥极限承载力分析的研究

1结构体系的设计如图1所示，陆浦大桥是一座大型横跨式钢拱桥，由中承拱桥组合。该桥跨径组合为100m+550m+100m,桥面宽36m,矢跨比f/L=1/5.5,主桥边跨采用跨径为100m的上承式拱梁结构,两边跨横梁之间布置强大的水平拉索,以平衡主跨拱肋的水平推力。桥面以下拱轴线为三次抛物线,桥面以上拱轴线为五次抛物线,沿拱轴采用变高度(拱脚H=9.0m,拱顶h=6.0m)、等宽度(B=5.1m)截面。中国在大跨度拱桥建设及其极限承载力研究方面均缺乏经验。在设计时有些结构仅用一阶稳定的临界荷载作为保证结构安全性的依据;有些重要结构在无法了解结构在复杂荷载作用下的临界荷载时只能靠放大安全系数来保证结构的安全,这样进行结构的设计和建造,势必存在大量的隐患和浪费。因此,开展对大跨度拱桥极限承载力的研究是十分重要的。2结构的极限承载力分析目前,大跨度拱桥极限承载力常用分析方法有:(1)线性屈曲法(方法一)。假定结构和材料均是线性的,通过求解特征值的方法求出结构的失效因子λ,从而求出结构的极限承载力。(2)几何非线性分析法(方法二)。假定材料是线性的,考虑了结构的梁柱效应以及大位移效应,通过增量和迭代相结合的方法求解结构的极限承载力。(3)几何和材料非线性分析法(方法三)。结构和材料均为非线性,通过增量和迭代相结合的方法求解结构的极限承载力。3空间梁单元模拟为了进行结构极限承载力分析,采用大型有限元软件ANSYS建立了一个卢浦大桥的三维有限元模型,如图2所示。其中拱肋、系梁、横撑以及立柱采用空间梁单元模拟(ANSYS中BEAM188单元);吊杆以及水平索(系杆)采用空间杆单元模拟(ANSYS中LINK10单元)。按照各构件的几何特性不同分别区分为71种单元,其中拱肋采用空间梁单元为37种;系梁(参于主拱共同受力)采用空间梁单元为2种;横撑采用空间梁单元为21种;横梁采用空间梁单元为4种;立柱采用空间梁单元为4种;吊杆采用空间杆单元为2种;水平索(系杆)采用空间杆单元1种。4极端负荷分析4.1材料非线性分析(1)假定吊杆和水平索材料在分析中始终保持弹性,文中所用钢材视为理想弹塑性材料,材料的屈服应力σy=345MPa。材料非线性分析中采用VonMises屈服准则。(2)初始活荷载集度q0=40kN/m,活荷载系数λ=qlq0λ=qlq0,其中:ql为施加活荷载集度。(3)由于卢浦大桥为变截面结构,结构无统一的恒载集度,因此,笔者采用活荷载系数作为结构的稳定安全系数。4.2极限承载力分析根据前面介绍的三种分析方法,采用大型有限元分析软件ANSYS分别计算了卢浦大桥在恒载+活载(全桥均布)作用下结构的极限承载力。计算结果如表1所示。图3为拱肋跨中点竖向位移—荷载关系曲线;4.3结构非线性效应(1)从上面计算结果可以发现,采用方法一计算出结构的稳定安全系数最高,方法二次之,方法三最小。这主要与分析中考虑结构非线性效应的多少有关。对于大跨度拱桥而言,结构材料非线性的影响最大。因此,要准确评估出结构的极限承载力必须采用几何和材料非线性分析法。(2)研究表明,拱桥的屈服首先发生在拱角处,然后随着荷载的增加,拱顶和拱肋其它部位逐渐屈服,最后,由于拱肋丧失了承载能力,导致拱桥整体失稳。5结构极限承载力主要参数以上结果表明,非线性因素对结构极限承载力有很大影响。那么其它参数如荷载分布方式、材料特性变化、温度变化等对结构极限承载力的影响如何?这些问题至今未得到很好解决。以卢浦大桥为算例,分别选取荷载分布方式、材料特性变化、温度变化等主要参数作为变量,用结构的活荷载系数作为输出结果来反映大跨度拱桥结构的极限承载力。下面计算结果中如不特别注明,均是采用方法三获得。5.1拱肋跨中点竖向位移—荷载分布方式对结构极限承载力的影响为了考察不同荷载分布方式对结构极限承载力的影响。下面分以下两种情况:①恒载+全桥均布活载;②恒载+左半中桥均布活载。图4为拱肋跨中点竖向位移—荷载关系曲线(情况Ⅰ);图5为拱肋跨中点竖向位移—荷载关系曲线(情况Ⅱ);图6为考虑了所有非线性,两种荷载方式作用下拱肋跨中点竖向位移—荷载关系曲线。从以上分析结果可以看出,与全跨均布活载情况相比,结构几何非线性对半中跨均布活载下结构极限承载力影响较大;且半中跨均布活载作用下结构的极限承载力明显低于全桥均布活载下结构的极限承载力。5.2系梁和拱肋都屈服情况下面分三种情况考察不同材料非线性对结构极限承载力的影响。情况Ⅰ:仅考虑系梁屈服;情况Ⅱ:仅考虑拱肋屈服;情况Ⅲ:考虑系梁和拱肋都屈服。计算结果如表2所示。从表2中可以看出,情况Ⅱ和情况Ⅲ计算出结构极限承载力一致,这表明拱肋材料非线性对结构极限承载力影响最大,而主梁材料非线性对结构极限承载力不产生影响,因此,在分析时可以忽略。5.3面外初始位移为了考虑中跨拱肋在拱平面外有初始位移的影响,假定初始挠度为半波正弦曲线,最大偏移分别取中跨跨长的1/5000、1/1000、1/500,计算结果见表3。从表3中可以看出,随着中跨拱肋在面外初始位移的增加,结构极限承载力降低较少。这表明拱肋在面外存在的初始缺陷对拱桥面内极限承载力不会产生较大影响。5.4屈服应力对拱肋跨中点竖向位移—不同屈服应力对结构极限承载力的影响分别计算了屈服应力σy=345、382、420MPa的结构极限承载力。计算结果如表4所示。图7为不同屈服应力状态下,拱肋跨中点竖向位移—荷载关系曲线。从以上计算结果中不仅可以看出随着材料屈服应力的增加,结构极限承载力有所提高。而且也反映出材料的屈服应力越低,结构进入塑性状态越早,结构的刚度亦随着降低。5.5钢结构温度变化为了考察温度变化对结构极限承载力的影响,下面分以下三种工况:工况Ⅰ:恒载+升温60℃+全桥均布活载;工况Ⅱ:恒载+全桥均布活载;工况Ⅲ:恒载+降温15℃+全桥均布活载。笔者采用的钢结构温度变化主要参照上海最高和最低温度确定。计算结果如图8所示。从图8中可以看出,温度变化对结构极限承载力会产生影响,但影响不大。一般来说升温时结构极限承载力有所提高;降温时结构极限承载力有所降低。6结构极限承载力的影响因素及研究假设(1)采用线性方法和仅考虑结构几何非线性的方法均会过高地估计结构的极限承载力,是偏于不安全的。因此,要准确评估出拱桥结构的极限承载力必须考虑材料的非线性特性。(2)拱肋材料非线性对结构极限承载力影响最大,而主梁材料非线性对结构极限承载力不产生影响,因此,在分析时可以忽略。(3)研究表明材料的屈服应力越低,结构进入塑性状态越早,结构的刚度亦会随着降低。(4)拱肋在面外存在的初始缺陷对大跨度拱桥面内极限承载力不会产生较大影响。(5)在其它条件相同的情况下,半中跨均布活载作用下结构的极限承载力明显低于全桥均布活载下结构极限承载力。可见,不同荷载分布方式将会直接影响到结构极限承载力。(6)温度变化对结构极限承载力会产生影响,但影响不