斜靠式钢管混凝土异形拱桥非线性稳定分析

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1、第42卷第5期西安建筑科技大学学报(自然科学版)Vo1．42No．52010年10月J．XianUniv．ofArch．&Tech．(NaturalScienceEdition)0ct．2O10斜靠式钢管混凝土异形拱桥非线性稳定分析陈峰，贺拴海，胡大琳，刘浪，范伟擎。(1．长安大学旧桥检测与加固技术交通行业重点试验室，陕西西安710064；2．佛山市路桥建设有限公司，广东佛山528041；3．深圳市光明新区城市建设局，广东深圳518106)摘要：斜靠式拱桥是在无风撑拱桥基础上发展起来的一种新型拱桥结构型

2、式．针对此类钢管混凝土异形拱桥的特点对其非线性稳定求解机理和方法进行了分析介绍，以一座拟建的大跨径斜靠式拱桥为例，采用通用程序ANSYS建立该桥的空间有限元计算模型，分工况对其成桥状态进行了线弹性、几何非线性和双重非线性稳定分析计算．同时分析了其主要结构参数(矢跨比、斜拱倾角、横撑数量及位置)对非线性稳定性的影响．计算分析发现：斜靠式拱桥的失稳形式一般表现为面外拱肋侧倾失稳；几何非线性对斜靠式拱桥稳定极限承载力影响较小，要准确的分析其稳定极限承载力必须采用双重非线性的分析方法；横向静风和桥上荷载分布对结

3、构稳定有一定影响而对结构变形影响显著；结构稳定性与矢跨比和斜拱倾角增加均成正比，靠近拱脚和L／4处横撑对结构稳定性影响较大．关键词：斜靠式拱桥；几何材料双重菲线性；稳定；矢跨比；斜拱倾角；横撑中图分类号：U448．22文献标识码：A文章编号：1006-7930(2010)05—0649-07钢管混凝土拱桥以其特有的自重轻、强度大、抗变形能力强、施工方便和外形美观的优点，被大量地使用于桥梁结构中．随着城市景观要求的不断提高，对桥梁结构桥面开阔、畅通的要求也越来越多，少风撑或无风撑的敞开式钢管混凝土桥作为此

4、类组合结构体系不断创新的代表也以多种变化形式而得到应用．斜靠式钢管混凝土拱桥作为一种新型的无风撑钢管混凝土异形拱桥，该结构体系的特点是取消桥面横撑的同时，在竖向拱肋(承重拱)的基础上增加了斜拱，为竖拱提供平面外的支撑而作为稳定拱，每侧倾斜拱肋与相邻竖直拱肋构成提供人行的桥梁空间，并与吊杆、桥面系纵横梁形成复杂的空间拱式结构体系口]．其结构新颖美观，造型独特，富有曲线美和力度感．但是，由于斜靠拱取消了两个承重拱之间的桥面横撑，拱结构的空间受力体系发生改变．其斜拱的设置，导致拱肋刚度中心与拱肋重心偏离，竖向

5、荷载将在拱肋产生面外弯矩作用，使得拱肋产生平面外变形，因此其结构的面外刚度往往低于常规拱桥，故其结构稳定性问题成为决定结构受力和性能的关键因素．大量研究表明，钢管混凝土拱桥的侧倾失稳大部分是发生在弹塑性变形范围，按弹性理论计算的拱桥侧倾稳定安全系就有可能大大超过实际值．因而有必要用弹塑性理论计算结构的稳定安全系数，按几何非线性和材料非线性理论来求得拱桥的失稳极限荷载作为拱桥的稳定荷载L1]．本文以福建省某拟建的一座跨径为100m的斜靠式拱桥为例对此类拱桥的非线性稳定特性及影响稳定的结构因素进行分析，以探

6、讨斜靠式拱桥的结构稳定规律．1非线性稳定求解1．1几何非线性稳定分析拱式结构，尤其是较为轻型的钢管混凝土拱结构的几何非线性主要是指在荷载作用下，拱轴线与荷载压力线的偏离问题，而这种偏离往往是难以避免的．对于钢管混凝土斜靠式拱桥而言，由于竖向承重收稿日期：2010—03—2O修改稿日期：2010—7—19基金项目：国家山区公路工程技术研究中心开放基金项目(gsg~一2010—01)}中央高校基本科研业务费专项基金，旧桥检测与加固技术交通行业重点试验室开放基金，长安大学基础研究计划支持计划专项基金资助项目(

7、CHD2009JC041)作者简介：陈峰(1977一)，男，河北井陉人，讲师，博士生，主要从事桥梁结构分析及评估，桥梁结构耐久性的研究．65O西安建筑科技大学学报(自然科学版)第42卷拱、斜向的稳定拱和横撑形成复杂的空间体系，其可能的轴线偏离将更为复杂．因此，严格说来斜靠拱的失稳属于第二类稳定问题，其几何非线性问题的求解基于以下基本假定：(1)结构构件横截面的变形保持平面；(2)不考虑翘曲变形；(3)荷载按比例增减(4)钢管与混凝土变形协调．利用虚位移原理得到U_L列式下拱桥结构的增量平衡方程：([k3

8、。+[志])d{A}：d{P}(1)[尼]。为t时刻坐标拖动后新平衡状态下单元弹性刚度矩阵；[忌]为t时刻坐标拖动后新平衡状态下初应力刚度矩阵；d(△}为节点位移；d{P}为荷载增量．通过将增量法和Newton-Raphson迭代法结合的混合法进行求解口]；荷载增量逐级增大进行迭代后荷载因子累加，直至刚度阵趋于奇异而求解发散，偏安全的取前一级荷载累计增量值作为临界荷载．1．2材料非线性稳定分析斜靠拱属于无风撑拱结构，发生侧向屈曲时结构的应力