基于ANSYS的脱空钢管混凝土拱桥极限承载力分析.pdf

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1、第26卷第2期华中科技大学学报(城市科学版)Vo1．26NO．22009年6月J．ofHUST．(UrbanScienceEdition)Jun．2Oo9基于ANSYS的脱空钢管混凝土拱桥极限承载力分析孙庆新，杨冬波(河南省交通规划勘察设计院有限责任公司，河南郑州450052)摘要：钢管混凝土拱桥中拱肋脱空问题比较普遍，本文对一实例钢管混凝土拱桥进行全桥有限元分析，对主要受力构件拱肋考虑了材料非线性和几何非线性。在恒载情况下，对不同空洞比率下动力稳定性进行了分析；在考虑半幅布载和全桥布载情况下，对不同空洞比率下桥梁的极限承载力进行了分析。分别将计算结果与没有空洞的桥梁进行对比，

2、得出一些结论，对脱空钢管混凝土拱桥的评价和加固有一定借鉴作用。关键词：钢管混凝土拱桥；脱空；双重非线性；极限承载能力中图分类号：U445．7文献标识码：A文章编号：1672-7037(2009)02-0047-05钢管混凝土拱桥的拱肋脱空问题比较普遍，计荷载为汽车-20级，挂车一100级，人群荷载3目前仅对拱肋混凝土脱空的原因和分类有比较详kN／m。吊杆采用双吊杆，吊点间距6．8m，每根细的阐述，但脱空对结构影响程度并未研究。钢吊杆均采用109根直径7mill高强钢丝，每片拱管混凝土工作状态分为三种：径向挤压、径向临肋设l7根吊杆，全桥设系杆两根，每根系杆都采界、径向脱空,21

3、。脱空既指钢管与混凝土间的用8束27X7×d5高强钢丝，属于系杆式自锚式脱空也包括混凝土内部的脱空，不仅有径向的还拱桥。本桥主要考虑拱肋的极限承载力问题，不包括纵向的。脱空的原因有以下几个方面：构件考虑下部结构的影响。上部结构共设五道风撑，承受轴向压力作用、混凝土的本身质量、混凝土浇拱顶设置一道x形风撑，两边对称布置两个K形筑质量、混凝土温度的变化、添加剂的选择与用风撑，以加大拱肋的刚度，上部结构见图1。量、核心混凝土的收缩徐变等。由于钢管混凝土肋拱属于曲线状的细长结构，要同时考虑钢管和混凝土的共同作用，给模型的制作带来很大困难，因此对钢管混凝土拱桥的研究一般是通过少量的模型试

4、验和考虑双重非线性的数值模拟计算结果进行对比，模型试验得出模型拱的极限承载力，再应用有限元程序进行大2单元的选择及建模量的参数分析得出简化算法和优化的模型以供工程应用-6]。为了验证材料的本构关系及单元类型的合理根据拱肋的偏心受压特性，上部空洞是最不性，根据福州大学陈宝春等人建立的实验室模利情况；另外因为施工、温度梯度、收缩徐变等因型]，作者建立了基于该模型的有限元数值模素的影响，上部是空洞现象最集中的部位。因此，型，并将所得结果与实验室模型进行了比较，结果本文建模分析主要考虑上部脱空情况。比较吻合。限于篇幅，不做详述。模型考虑了双重非线性(材料非线性和几何非线性)。在此基1工

5、程概况础上，本桥的单元选择如下。主拱肋的模拟：主拱肋是主要的受力部位，为本桥为一跨径250m的下承式钢管混凝土钢典型的空间受力杆件，在ANSYS中通过Beam188管系杆拱桥，拱轴线采用悬链线，m=1．1，矢高为来模拟。Beam188是三维二次梁单元，适合分析25m，拱肋共两片。两拱肋中心线间距25m。设从细长到中等粗短的梁结构，并考虑了剪切变形收稿日期：2008一l1—10修回日期：2008—12—16作者简介：孙庆新(1966一)，男，河南辉县人，高级工程师，研究方向为高速公路、大跨度桥梁设计及监理，sqxjl@sohu．eom。·48‘华中科技大学学报(城市科学版)200

6、9年的影响，每个节点有七个自由度，当keyopt(1)=lwrite及secread定义横截面，也支持弹性、蠕变及时，这时引入了第七个自由度(横截面的翘曲)。塑性模型(不考虑横截面子模型)。截面类型可该单元适合大角度转动和非线性大应变问题。当以是不同材料组成的组和截面。NLGEOM打开的时候，Beam188的应力刚化及应横梁、纵梁、风撑、盖梁、墩柱用Beam44模力强化选项使本单元能分析弯曲、横向及扭转稳拟，系杆和吊杆采用Linkl0单元，在这两单元中定问题(弧长法)以及分析特征值屈曲和塌陷。将keyopt(3)=0，即表示单元只受拉，各构件的材Beam188可以采用seety

7、pe、secdata、secoffset、see—料性质如表1。表1材料特性表拱肋中混凝土脱空的模拟：利用Plane82单的切线刚度矩阵及单元荷载项的计算，对于综合元建立辅助单元来模拟拱肋中空洞。由于混凝土考虑材料和几何非线性的问题，主要采用u．L．列重力作用及混凝土收缩徐变的双重影响，空洞一式描述非线性本构关系，这是由于u．L_列式每一般发生在拱肋钢管的顶端，分布在拱肋混凝土内步迭代均以前一收敛构型为参照，而前一构型的部的空洞因自身是封闭的，对拱肋结构刚度影响Cauchy应力为已知。较为常