大跨径钢管混凝土拱桥的稳定性研究.pdf
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1、2 0 1 3年第 7期 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i n g 1 9 文章 编号 : 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 0 7 0 0 1 9 0 4 大跨径钢管混凝土拱桥 的稳定性研究 杜建鑫 , 李 自林 , 李 欢 ( 1 天津市海河建设 发展 投资有限公 司 , 天津3 0 0 3 8 0 ; 2 天津城市建设 学院 , 天津3 0 0 3 8 4 ) 摘要 : 以一大跨度 中承式钢管混凝 土拱桥 千岛湖南浦 大桥为依托 工程 , 利用大型通用有限元软件 MI D A S建立 了其有限元计算模型 , 对该桥成桥后在恒载作
2、用下 的稳定性进行 了研 究, 首先通过线弹性 屈曲分析 , 得到在恒栽作用下前十阶的稳定安全 系数和失稳模 态形式 , 而后考虑 了几何非线性对稳定性 的影 响 , 并通 过 比较得 到 几何 非 线性 对该桥 稳 定性 的影响 比较 小 的结论 。 关键词 : 稳定性分析 拱桥 有限元计算 稳定安全 系数模 态图 中 图分类 号 : U 4 4 8 2 2 ; U 4 4 1 文献 标识 码 : A D O I : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 3 0 7 0 7 钢 管混 凝 土 拱 桥 是 近 年 来 发 展 很 迅 速 的 一
3、 种 桥 型 , 应用前景非常好。这是 因为钢管混凝土拱桥有很 多优 点 , 比如它 具有 很好 的塑性 和韧 性 , 承 载能 力相 比 其他桥型高很多 , 跨径也可 以增 大许多 ; 除此 以外 , 其 经济效应好 , 施工也很方便 等等 。但是钢管混凝土拱 桥在我国起步比较晚 , 还是一种 比较新的桥型 , 在很多 方面的研究 ( 无论是理论基础还 是实践) 都 还是不足 的。最突出的就是失稳问题 , 而且随着跨径的不断增 大 , 稳定 问题越来越明显 , 这就给桥梁设计师们带来 了 更多困难。因此 , 需要在这方面做更多的研究 , 从而促 进我国钢管混凝土拱桥的迅速发展。 收稿 日期
4、: 2 0 1 3 O 1 - 0 4 ; 修回 日期 : 2 0 1 3 0 3 2 0 基金项 目: 天津市 自然科学基 金项 目( 1 3 J c YB J c1 9 6 0 0 ) ; 住房和城 乡建 设部研究开发 项 目( 2 0 1 2 一 K 4 2 8) ; 国家 自然 科 学基 金项 目 ( 5 1 2 0 8 3 3 7 ) 作者简介 : 杜建鑫 ( 1 9 8 1 一) , 男 , 天津市人 , 工程师。 1 稳定性 问题 的相关理论 结构构件的失稳通常是指结构构件 由于构件本身 的缺陷、 突然的振动、 或者偏心受力等, 当其 所受 到的 力增 大到一 定大小 时 , 结
5、构会产 生一个 明显 的位移 ( 该位移一般与荷载方向正交) , 表明该结构已经在慢 慢失 去原 来 的平衡 状 态 而 进 入 临 界状 态 , 此 时如 果 该 结构再受到干扰 , 则该位移变形将会急剧增大 , 直接后 果 就是 该 结构 构件 进入 失稳 状态 不能 正 常工作 。根据 结构失稳的性质来划分 , 稳定性 问题主要包括第一类 失稳( 线弹性屈 曲分析 ) 和第二类失稳 ( 非线性弹塑性 屈 曲分 析 ) 。 1 1线 弹 性屈 曲分 析 在 分 析第 一类 失 稳 问题 时 , 是 不 考 虑各 种初 始 缺 陷对结构的影响的, 而是假设材料都是理想的, 且假设 桥梁是产生
6、弹性小变形的, 它所受的外荷载 和内力也 是成对应 比例关系的。这个时候将其之间的关 系可以 通过一个数学式子 ( 关于特征值的) 表达出来 , 如公式 不考 虑 几何 非线 性 可能会 夸 大 曲线梁 段 引起 的扭 转 振 动 , 使得计算结果失真。 参 考 文 献 1 李睿 , 董明 考虑 P一效应的高墩抗 震计算 J 云南 工业 大学学报 , 1 9 9 9 , 1 5 ( 1 ) : 6 1 6 7 2 程翔云 变截 面高 墩几 何非 线性 的 数值 法分 析 J 公 路 , 1 9 9 6( 6): 1 4 3 武文芳 , 赵雷 大跨度斜拉桥地震 响应非线性时程分 析 J 世界地震
7、工程 , 2 0 0 9 , 2 5 ( 4 ) : 1 8 2 4 4 徐扬 , 王 冲 , 周 凌远 大跨 高 墩 连 续 刚构 桥 地震 响应 分 析 J 铁道建筑 , 2 0 1 0 ( 2 ) : 1 4 1 7 5 王克海 桥梁抗震研究 M 北京 : 中国铁道出版社 , 2 0 0 7 6 巴特 K J , 威尔 逊 E I J _ 有 限元 分析 中的数 值方 法 M 北 京 : 科学出版社 , 1 9 8 5 7 占玉林 , 赵人达 , 徐腾飞 , 等 钢管混凝土组合格构 柱高墩大 跨连 续刚 构 桥 非 线性 研 究 J 四川 建 筑 科 学研 究 , 2 0 0 9, 3
8、5 ( 6 ) : 3 8 4 1 8 郭 毅 , 文华斌 , 占玉林 钢 管混凝 土组合格 构柱 高墩 大跨连 续 刚构桥 动力特性分析 J 四川建 筑科学研 究 , 2 0 1 2 , 3 8 ( 2 ) : 2 7 31 ( 责任审编孟庆伶) 2 0 铁道建筑 ( 1 ) 所示 , 求出该式的所有特征值 , 其中最小的那个就 是该结构失稳时的临界荷载。 +A 。 K =0 ( 1 ) 式中: 为结构的线性刚度矩阵 ; 为结构的几 何刚度矩阵 ; A 为特征值 。 上 面所说 的线 弹性 屈 曲分析 仅仅 只是 对于 理想 受 压 直杆 而言 的 。 1 2几 何 非线性 屈 曲分析 在工
9、程实践 当中, 一般不存 在第 一类失稳 ( 线弹 性屈曲分析 ) 的理想 的直杆。这是因为不管是结构 的 部件还是加载等肯定都存在着一定 的缺陷 , 比如 , 在给 结构加载时, 人为地认为或者是加载机器认 为是中心 加 载 , 但实 际 上任何 加 载 方式 都 是 不 可 能 避 免 产 生误 差的; 而且结构本身可能就存在各种缺 陷( 如初始 弯 曲残余应力等 ) 。也正是 由于这些缺陷导致结构或者 杆件 是不 可 能 出现 第 一 类 失稳 的 , 本 文 主要 研 究 了几 何非线性屈曲分析 。几何非线性屈曲分析假设材料是 成线性分布的, 只考虑结构的梁柱效应和大位移效应 , 其结
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