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1、淳安南浦大桥结构内力非线性分析崔 军(杭州市城市建设科学研究所,浙江杭州 310006)摘 要:同时考虑了几何非线性和材料非线性等因素对淳安南浦大桥进行结构内力分析,结果表明对淳安南浦大桥这种大跨(308m)、宽跨比小(接近1/19.81)的钢管混凝土拱桥,几何非线性和材料非线性的影响均较大,在设计和施工时不应忽略。关键词:钢管混凝土;拱桥;非线性;内力分析中图分类号:U441.5文献标识码:A文章编号:100927716(2004)02200092022.2 材料非线性分析1 前言材料非线性分析主要问题是材料本构关系的目前对钢管混凝土拱桥的设计
2、计算,仍以弹选取。性分析为主,采用空间直杆单元、直梁单元杆系结2.2.1 钢材的应力应变关系模型[3]构模型计算结构内力,以极限状态设计方法来确钢材应力2应变曲线采用理想弹塑性模型。定构件的承载力。已有研究成果表明,几何非线Eεss(
3、εs
4、≤εy)σs=(
5、εs
6、≤εy)(2)性对钢管混凝土拱桥内力和变形的影响很小,一sign(εs)σy般在5%以内;而材料非线性的影响较大。本文式中:符号意义参见文献[3]。采用几何非线性、材料非线性方法对淳安南浦大2.2.2 约束混凝土的应力应变关系模型桥进行分析,结果表明对淳安南浦大桥这种大跨根据文献[4]
7、,并假定在弹塑性阶段应力应变(跨径大于300m)、宽跨比小(接近1/20)的钢管曲线为直线,由此得到约束混凝土的轴压应力2应混凝土拱桥,几何非线性和材料非线性的影响均变三段折线模型。较大,在设计和施工时不应忽略。fy(A+Bξ+Cξ2)f(3)sc=ck2 非线性分析的基本原理pfyyfsc=(D+E)fsc(4)2352.1 几何非线性分析pfyεsc=0.67(5)拱桥的几何非线性主要是指在荷载的作用Esyp下,拱轴线与荷载压力线的偏离问题。因为这种yp2(fsc-fsc)εsc=εsc+1(6)Es+Esc偏离是不可避免的,如施工阶段,压力
8、线随架设过p式中:fsc为钢管混凝土组合材料的轴向应力比例程的不断变化,施工预拱度的设置,各种施工偏极限,差,拱轴线的弹性压缩等,拱的几何非线性属于弹pεsc为钢管混凝土组合材料的弹性变形比例性大变形问题。极限,考虑几何非线性后,结构的总体平衡方程可y写为:fsc为钢管混凝土组合材料的屈服强度极([K0]+[Kσ][KL]){d}={F}(1)限,y式中:[K0]为小位移弹性刚度矩阵,[Kσ]为初应εsc为钢管混凝土组合材料的极限屈服应变,力矩阵,[KL]为初位移矩阵,[K0]、[Kσ]、[KL]fyA=1.212,B=0.974+0.1759,
9、235的表达式参见文献[1]和文献[2]。fckC=0.0309-0.1038,D=0.192,20收稿日期:2003207214E=0.488,作者简介:崔军(19742),男,浙江杭州人,工学博士,从事桥梁结构分析、检测等研究工作。fck为混凝土抗压强度(MPa),—9—©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.fy为钢材屈服强度(MPa),Asα=为含钢率,Acfyξ=α为套箍指标,fck5Es=2.06×10为钢材的弹性模量(MPa),1Esc=5000α
10、+550为强化阶段的强化模量(MPa)。3 淳安南浦大桥内力非线性分析图2 钢管混凝土拱圈的材料σ2ε曲线3.1 桥梁概况3.3 分析结果淳安南浦大桥为中承式钢管混凝土桁式拱表1列出了在设计荷载作用下的拱肋跨中截桥,拱轴线形采用悬链线,拱轴系数为1.167,大面位移计算结果以及与弹性计算结果的比较。桥总设计长度330m,净跨径308m,净矢高60m,矢跨比1/5.5,桥面净宽12m,拱肋外侧间距4 结论15.55m,宽跨比1/19.81,其规模在国内同类桥梁(1)几何非线性对大跨度钢管混凝土拱桥的中居第三位。南浦大桥的主拱肋由4根直径拱肋跨中竖向
11、挠度的影响较小,对各拱肋跨中水850mm壁厚12mm的钢管构成,钢管由腹杆和剪平位移影响较大,对淳安南浦大桥来说,水平位移刀撑连接形成劲性骨架,钢管内灌注C50高强混约增加了13%,竖向挠度仅增加了4.2%;凝土。全桥共设13道双K形横撑。南浦大桥的(2)材料非线性对大跨度钢管混凝土拱桥的总体布置见图1。拱肋跨中竖向挠度和水平位移的影响都较大,对淳安南浦大桥来说,竖向挠度增加了10%,水平位移约增加了10.5%;(3)考虑双重非线性后,南浦大桥拱肋跨中竖向挠度增加11.8%左右,水平位移增加约18.4%,说明非线性对大跨度钢管混凝土拱桥的内力影响
12、较大,设计和施工时应考虑其影响。图1 淳安南浦大桥总体布置图(单位:m)参考文献3.2 钢管混凝土构件的应力应变关系模型[1]项海帆,刘
