单肋斜撑钢管混凝土拱桥非线性稳定性分析

单肋斜撑钢管混凝土拱桥非线性稳定性分析 单肋斜撑钢管混凝土拱桥非线性稳定性分 析 单肋斜撑钢管混凝土拱桥非线性稳定性分析刘沐宇,孙向东,袁卫国,龚凯13 文章编号:1003—4722(2009)04—0013—04 单肋斜撑钢管混凝土拱桥非线性稳定性分析 刘沐宇,孙向东,袁卫国,龚凯 (1.武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室,湖北武汉430070; 2.广东省公路勘察规划设计院,广东广州510507) 摘要:单肋斜撑钢管混凝土拱桥是近年来出现的一种新型桥梁,以广梧高速双凤至平台段 K111+495跨线桥为例,考虑几何,材料双重非线性,运用通用有限元软件ANSYS,对其成桥状态 下的稳定性进行分析.计算结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明:成桥状态下各工况1阶线弹性失稳模态基本相同,其失稳模 态为拱肋面外对称屈曲,稳定安全系数大于15,说明全桥的稳定性得到足够保证;相同条件不同活 载工况下的稳定安全系数值相差不大;仅考虑几何非线性,各工况1阶稳定安全系数降低了5, 15;而考虑几何,材料双重非线性,各工况1阶稳定安全系数降低了4O,5O.说明材料的非 线性对结构稳定性的影响比较显着. ;钢管混凝土结构;单肋;斜撑;非线性;稳定分析 关键词:拱桥 中图分类号:U448.22文献标志码:A AnalysisofNonlinearityStabilityofCFSTArch BridgewithaSingleRibandInclinedSupports LIUMu—yu,SUNXiang—dong,YUANWei—guo,GONGKai (1.KeyLaboratoryofRoadwayBridgesandStructuralEngineeringofHubeiProvince, WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China;2.GuangdongProvincial HighwaySurvey,PlanningandDesignInstitute,Guangzhou510507,China) Abstract:Theconcrete—filledsteeltube(CFST)archbridgewithasingleribandinclined supportsisanewtypeofbridgedevelopedintherecentyears.BywayofexampleoftheK111+ 495flyoveronthesectionfromShuangfengtoPingtaionGuangzhou— WuzhouExpressway,the spatialstabilityofthecompletionstateofthetypeofthebridgeisanalyzedbythefiniteelement softwareANSYSandinconsiderationofthenonlinearitiesofgeometryandmaterials.Theresults ofthecalculationshowthatthefirstorderlinearelasticinstabilitymodeunderdifferentloadcases inthecompletionstateofthebridgeisbasicallyidentica1.Theinstabilitymodeistheout— of-plane symmetricbucklingofthearchribandthestabilitysafetycoefficientsaregreaterthan15,indica— tingthatthestabilityofentirebridgecanbesufficientlyensured.Thedifferencesofthestability safetycoefficientsunderdifferentliveloadcases nonlinearityofthegeometryisconsideredonly, inthesameconditionsarenotgreat.Whenthe thefirstorderstabilitysafetycoefficientsunder differentloadcasesdecrease5,15andwhenthenonlinearitiesofboththegeometryandma — teria1sareconsidered,thecoefficientsunderdifferentloadcasesdecrease40,5O,further showingthatthenonlinearityofthematerialshassignificantinfluenceonthestabilityofthe structure. Keywords:archbridge;concrete—filledsteeltubestructure;singlerib;inclinedsupport; nonlinearity;stabilityanalysis 收稿日期:2009—02—24 作者简介:刘沐宇(1963一),男,教授,博士生导师,1982年毕业于武汉工业大学,工学 学:k(1iumuyu@public.wh.hb.cn). 14桥梁建设2009年第4期 1前言 单肋斜撑钢管混凝土拱桥是近年来出现的一种 新型桥梁,它美观大方,结构新颖,施工简便,在桥梁 建设领域具有很好的应用前景.广梧高速公路双凤 至平台段是交通部和广东省联合示范工程,考虑到 在满足高速公路总体布设的情况下,要做到上跨桥 的平,纵,横与下穿的高速公路线形协调一致,平顺 流畅,美观,安全,经济,并充分考虑景观设计,在 K111-I-495跨线桥设计中采用了该桥式. 钢管混凝土使得拱肋轻质高强化的同时,也使 拱肋刚度减小,使得其稳定问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 日渐突出.如何正 确考虑非线性的影响以及合理 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 结构的稳定强度 是拱桥结构设计中一直倍受关注的问题l】].鉴于 单肋斜撑钢管混凝土拱桥是一种新型结构形式,对 其进行非线性稳定分析十分必要.在考虑几何非线 性和材料非线性的基础上,用有限元软件ANSYS 对广梧高速双凤至平台段Kl11+495跨线桥分别 进行了线弹性,弹性大变形及弹塑性大变形的稳定 分析,并对计算结果进行分析讨论, 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 出的有关结 论对类似桥梁建设具有一定的参考价值. 2桥梁结构的稳定性理论 结构失稳是指结构在外力增加到某一量值时, 稳定平衡状态开始丧失,稍有扰动,结构变形迅速增 大,使结构失去正常工作能力的现象.在桥梁结构 中,总是要求保持稳定平衡,即沿各个方向都是稳定 的.研究稳定既可以以小位移理论为基础,在邻近 原始状态的微小区域内进行,又可以在大位移非线 性理论的基础上在大范围内进行].这样结构稳定 分析有2种类型:一种是基于弹性特征值的屈曲分 析;一种是基于非线性理论的稳定分析.在桥梁工 程设计中,一直沿用线性计算理论,即基于弹性理论 的内力变形验算和基于特征值分析(第一类失稳)的 稳定验算.由于各种因素的影响,实际拱的失稳形 态大部分属于第二类失稳. (1)线弹性方法.按照第一类稳定问题的线弹 性稳定理论,假定结构和材料均是线性的,结构的内 力和外荷载成比例关系.结构在临界荷载作用下的 平衡方程为: {lK.l+lK}}(AD)一{0)(1) 式中,[K.]为结构弹性刚度矩阵;[K]为结构几何 刚度矩阵;为结构稳定系数;?D为节点位移增量. 式(1)为求最小特征值问题,通过子空间迭代法可 求得…,这样结构的临界荷载{P}一i{P}. (2)几何非线性方法.按照有限元方法的理 论,几何非线性假定材料是线性的,考虑结构的梁柱 效应及大位移效应.考虑几何非线性,利用虚位移 原理得到T.L列式下结构的增量平衡方程: {[K.]+[K]+EK.]}(?D)一{?P}(2) 式中,EK.]为结构的大位移矩阵;{?P}为外荷载 增量.式(2)可通过增量法或迭代法求解.当结构 的切线刚度矩阵对应的行列式值为0时,表明结构 失稳,此时的荷载即为临界荷载. (3)几何材料双重非线性方法.考虑几何和材 料非线性的结构增量平衡方程为: {EK.]+EK.]+[K-]}(?D)一{?P)(3) 式中,EK.].为结构弹塑性刚度矩阵;[K.]为结 构大位移弹塑性刚度矩阵.式(3)和式(2)相类似, 只是用弹塑性本构关系代替了弹性本构关系,其求 解方法和结构失稳判断准则也与考虑几何非线性相 类似.取结构承受荷载F约为屈曲荷载1.2P., 1.25P..根据式(3)将荷载总量分成多级,逐级加 载,每一个荷载步均采用Newton--Raphson迭代法 进行迭代求解,逐步的施加一恒定的荷载增量直到 解开始发散为止,可计算结构从加载开始到失稳以 及结构失稳后的响应全过程,得到结构的荷载位移 关系,则荷载位移关系曲线上的最大荷载值就是结 构的极限荷载(即稳定系数).为保证计算结果的准 确性,采用力和位移2种收敛准则. (4)钢管混凝土组合材料本构关系.钢管混凝 土组合材料的本构关系的单轴应力,应变关系见图 1_4].其中,oa为线弹性阶段;ab为弹塑性阶段,按 二次抛物线变化;bd为塑性强化阶段. fEsc,(,?,) 一 {器<e?(4)I 【/+(,一E:y)E(e>Ey) 式中,e:.为弹性极限应变,Ep.一0.67f/E~…Ey为屈 服极限应变,e一,+2(一)/(E.+E);只 为钢管混凝土的名义轴压比例极限,一 图1钢管混凝土组合材料本构关系 单肋斜撑钢管混凝土拱桥非线性稳定性分析刘沐宇,孙向东,袁卫国,龚凯15 (0.192f/235+0.448);为钢管混凝土的轴压 屈服强度,一(1.212+雎+)fc;E为弹性 模量,E.一只/G;E为强化阶段模量,E一42O+ 550.系数Q一只/(A一B)?exp[A一(E..,一 )/(一)];A一1一(E/E.)(/); B===[1一(E/,)](/);B一0.974+ 0.1759f/235,C一0.0309,0.1038fck/20,为 钢管混凝土套箍系数值,一Af/A厂c,厂为钢材 屈服极限,为混凝土抗压强度 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 值,A.,A为 钢材,混凝土截面面积. 3单肋斜撑钢管混凝土拱桥的稳定性分析 3.1工程概况 广梧高速双凤至平台段K111-9495上跨桥桥 梁全长75m,为单肋斜撑钢管混凝土拱桥.该桥为 人行桥,设计荷载为3.5kN/m.拱肋为1200 mm厚度t一16miTt的钢管,内填充C50微膨胀混 凝土,拱轴线采用二次抛物线,计算跨径L一50II1, 矢高_厂一10m,矢跨比f/L一1/5.拱上结构为预应 力混凝土桥面梁,梁高75cm,桥面梁与拱肋之间采 用直径30~50mm,f一12mm立柱连接,立柱之间 设有横撑及缀板加强.全桥立面及典型横断面见 图2. }..I 差TjAW乐:=?五三云于l下 【 —单位:cm 图2全桥立面及典型横断面 3.2有限元模型和工况划分 采用有限元软件ANSYS建立全桥三维模型, 见图3.钢管混凝土拱肋采用BEAM188单元模 拟,立柱,横撑采用BEAM44梁单元模拟,预应力钢 筋采用LINKIO模拟,桥面系采用s0LID95实体单 元模拟.全桥共剖分8992个节点,16390个单元, 桥面系与立柱间采用共用节点耦合.考虑到拱桥的 失稳主要是拱肋的失稳,所以计算中仅考虑拱肋的 几何和材料双重非线性,其余单元只考虑几何非线 性.根据设计荷载和当地基本风压,按表1所示的 6种工况进行计算. 图3全桥三维有限元分析模型 表1成桥状态下工况 序号工况 不计拱上结构的影响,将拱上结构的恒载直接作用在拱 肋上 计入拱上结构的影响,全桥恒载 全桥恒载+全桥人群均布荷载 全桥恒载+半桥人群均布荷载 全桥恒载+全桥人群均布荷载+风荷载 全桥恒载+半桥人群均布荷载+风荷载 3.3线弹性稳定性分析 线弹性稳定性描述在弹性范围内结构稳定性, 表2列出了在成桥状态下弹性稳定安全系数,该弹 性稳定安全系数描述在结构自重和人群荷载下的稳 定安全系数.线弹性计算结果表明:成桥状态下各 工况1阶线弹性稳定安全系数接近,变化幅度在 5以内,表明活载对该桥的稳定性影响较小,恒载 影响较大,决定该桥整体稳定性因素是桥梁本身的 结构与构造;各工况结构1阶线弹性失稳模态基本 相同,结构第1阶失稳特征为拱肋面外对称屈曲,桥 面系扭转,见图4,说明结构的横向刚度弱于纵向刚 . 度,容易发生面外失稳 表2成桥状态下各工况1阶线弹性稳定安全系数 工况线弹性稳定安全系数工况线弹性稳定安全系数 l15.OO2415.549 215.821515.438 315.626615.271 3.4非线性稳定性分析 由于各种原因,实际结构不可避免地存在初始 图4工况2的1阶线弹性失稳 赢} 16桥梁建设2009年第4期 缺陷.引入初始缺陷的常用方法:根据分析对象的 实际情况,采用弹性屈曲模态的线性组合作为假想 的初始缺陷.考虑到引入的方便,计算采用拱桥在 恒载作用下1阶线弹性屈曲变位的某一微小量 值作为非线性计算的初始几何缺陷.根据实际情 况,合理地引入初始几何缺陷,其屈曲变位的大小对 最终的计算结果不会产生大的影响.在本文下面的 非线性计算中,考虑到计算收敛速度等因素,初始几 何缺陷大小一般取线弹性屈曲变位的1,5. 在非线性稳定分析中,分别进行了考虑结构的弹性 大变形和弹塑性大变形的计算,选取的荷载工况见 表1.分别选取拱肋的跨中截面,根据计算结果,作 出P,?曲线,见图5.为便于比较,将同一荷载工 况下的2组非线性计算结果绘于同一图中. 1 i蚓1 最 臻 删 侧向位移/叩 (a)工况1 侧向位移/? (c)工况3 侧向位移/珈 (b)工况2 0.10.20.3o.4 侧向位移/m (d)工况4 侧向位移/m侧向位移/m (e)工况5(f)工况6 一几何非线性一双重非线性 图5工况1,6非线性P,厶曲线 根据图5的各组P,?曲线,将各荷载工况下 的稳定安全系数计算结果列于表3. 由表3可知,考虑几何非线性,成桥状态下各工 表3稳定安全系数比较 工况稳定安全系数 线弹性几何非线性双重非线性 与弹性(弹性为分母)分析的比较 _冗币—面丽 15.002 15.821 l5.626 15.549 15.438 l5.271 9.301 9.492 9.375 8.085 9.725 7.788 0.950 0.959 0.939 O.859 0.949 0.849 况1阶稳定安全系数下降了5,15.在不同工 况条件下几何非线性对结构的临界荷载影响程度略 有不同,临界荷载的变化幅度不大.在全桥均布荷 载作用下,几何非线性影响较半桥均布荷载作用下 小89/6左右;而在考虑几何,材料双重非线性后,在 各工况条件下临界荷载变化幅度也不大,说明荷载 对临界荷载影响不大.但在各工况下考虑双重非线 性较1阶线弹性稳定安全系数下降了4O,5O, 说明材料非线性对该桥的稳定性影响较大.结构材 料进入塑性状态而丧失承载力,在计算钢管混凝土 拱桥的极限荷载时,仅考虑几何非线性的影响将大 大地高估其极限荷载.因此要准确地估算出结构的 极限承载力必须考虑材料非线性. 4结论 通过对单肋斜撑钢管混凝土拱桥的稳定性进行 分析,可以得出以下结论: (1)按照线弹性稳定安全系数不小于4,非线性 稳定安全系数不小于2的要求,该桥在成桥状态下 的稳定性是有足够保证的. (2)成桥状态下各工况1阶线弹性失稳模态基 本相同,结构1阶线弹性失稳特征为拱肋面外对称 屈曲,桥面系扭转,说明该结构的横向刚度弱于纵向 刚度,容易发生面外失稳. (3)弹性大变形稳定分析表明,主桥稳定安全 系数比相应线弹性计算值小,但相差不大,一般在 5,15,几何非线性对该桥的稳定性影响不大. (4)弹塑性大变形稳定分析表明,主桥稳定安 全系数比相应线弹性计算值减小40,50,材料 非线性对该桥的稳定性影响较大.在对钢管混凝土 拱桥的非线性分析中,材料非线性的影响是主要的, 计算其极限荷载时,仅考虑几何非线性的影响将大 大地高估结构的极限荷载.因此,钢管混凝土的材 料非线性问题对结构极限承载能力的影响应该引起 足够重视. (5)线性及非线性计算都表明不同活载布置工 况下的稳定安全系数值比较接近,因此活载最不利 布置效应不太明显. 参考文献: Eli吴卫国,陈光林,张玉萍.非对称大跨度钢管混凝土拱 桥非线性稳定性分析[J].武汉理工大学(交通科学与 (下转第37页) E, . 臣, H地m86420 一D/b)曩蒜卿 4 客运专线箱形简支梁C50抗冻混凝土试验研究苏祖平,江海,叶小吁,欧阳华林37 备优越的抗氯离子渗透能力. 表4混凝土电通量试验结果 试验编号56d混凝土电通量/c hd27830 hd33892 4.4混凝土的抗冻融性能 冻融性能试验采用GBJ82—1985快冻法进 行.混凝土试件养护56d后放入一17,8?冻融 箱内经200次冻融循环,测其相对动弹性模量及质 量损失.规范要求相对动弹性模量?6O,质量损 失?5.检验结果见表5. 表5混凝土冻融性能检验结果 从表5看出,推荐配合比拌制的混凝土试件均 能通过200次快速冻融循环;其中hd33试件能承受 425次以上冻融循环,可见其抗冻融能力非常强. 5工程应用情况 2008年3月,12月,在哈大铁路客运专线工程 灯塔制梁场32m预制预应力混凝土箱梁中使用了 hd33.混凝土采用搅拌运输车运到浇梁地点,再用 泵机泵送到位,其换算水平泵送长度为5O,100m. 混凝土拌合物和易性好,可泵性良好.泵送压力为 12,16MPa.截至目前为止,已成功预制56片箱 梁,箱梁表面平整光滑,气孑L少,无裂缝. 6结论 (1)用推荐配合比拌制的混凝土和易性满足泵 送施工要求,力学性能达到C5O的设计要求. (2)用推荐配合比拌制的耐久混凝土电通量很 小,56d龄期的电通量小于900C.表明双掺粉煤 灰和矿渣粉的耐久混凝土具备优越的抗氯离子渗透 能力. (3)用推荐配合比拌制的混凝土抗冻融能力非 常强,能承受400~425次冻融循环. (4)使用聚羧酸盐系外加剂和掺合料拌制的混 凝土无压力泌水,不能用以往的经验数据判断混凝 土的可泵性.建议在混凝土配合比报批前,进行试 泵送,以验证混凝土的可泵性,如有必要,可对混凝土 配合比作适当调整,最终确定施工用的混凝土配合比. 参考文献: [1]吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土EM].北京:中国铁道 出版社,1999. (wuZhong—wei,LIANHui—zhen.HighPerformance Concrete[M].Beijing:ChinaRailwayPublishing House,1999.inChinese) [2]韩素芳,耿维恕.钢筋混凝土结构裂缝控制指南[M]. 北京:化学工业出版社,2004. (HANSu—fang,GENGWei—shu.GuidancetoCrack ControlofReinforcedConcreteStructure[M].Bei— jing:ChemicalIndustryPress,2004.inChinese) E33陈肇元,赵国藩.混凝土结构耐久性设计与施工指南 [M].北京:中国建筑工业出版社,2004. (CHENZhao—yuan,ZHAOGuo—fan.GuidancetoDe— signandConstructionofDurabilityofConcreteStruc— ture[M].Beijing:ChinaArchitecture&Building Press.2004.inChinese) m''''''mm''',mm,lll''mmm'''''',mlllm,,'',,mmm'''I,'mm''''''''mm (上接第16页) 工程版),2005,(5):713—716. (WUWei—guo.CHENGuang—lin,ZHANGYu—ping. 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