南京长江五桥主桥结构非线性稳定性研究

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图 2 成 桥 阶 段 有 限 元 模 型 犉犻犵.2 犉犻狀犻狋犲犈犾犲犿犲狀狋犕狅犱犲犾犳狅狉犆狅犿狆犾犲狋犲犱犅狉犻犱犵犲
计算时考虑几 何 非 线 性 (包 括 结 构 大 变 形 效 应 与拉索垂度效应)与 材 料 非 线 性。 材 料 非 线 性 通 过 设置钢材与混凝土 的 非 线 性 本 构 关 系 实 现,其 中 钢 材采用理想弹塑性 本 构,混 凝 土 采 用 分 段 线 性 化 折 线本构[1]。计算过 程 中,当 斜 拉 索 应 力 超 过 其 破 断 应力时,先将其从 结 构 中 拆 除 再 对 剩 余 结 构 继 续 分 析 ,直 至 结 构 整 体 达 到 极 限 承 载 力 。 2.2 计 算 工 况 及 荷 载
共 考 虑 103 个 计 算 工 况 ,其 中 施 工 阶 段 95 个 工
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桥 梁 建 设 BridgeConstructi工 况。 工 况 1 为 裸 塔 施 工;工 况 2~5为浮吊施工边塔 与 中 塔 0 号 和 1 号 梁 段;工 况 6~59为桥面吊机施工 边 塔 与 中 塔 2~14 号 标 准 梁 段(每个标准梁段对 应 4 个 工 况,其 中 工 况 40 为 在 边 塔 边 跨 侧 增 加 临 时 墩 ,工 况 49 为 在 中 塔 左 侧 增 加 临时墩);工 况 60~62 为 两 侧 边 跨 合 龙;工 况 63~ 82为 桥 面 吊 机 施 工 两 主 跨 15~19 号 梁 段;工 况 83~94为桥面吊 机 施 工 两 主 跨 20 号 梁 段;工 况 95 为 桥 面 系 施 工 (成 桥 )。 工 况 96~99 分 别 为 全 桥 、两 主 跨 、半 桥 、左 主 跨 6 车 道 满 布 车 道 荷 载 ;工 况 100~ 103分别为全 桥、两 主 跨、半 桥、左 主 跨 半 桥 3 车 道 布置车道荷载。
图 1 南 京 长 江 五 桥 主 桥 立 面 布 置 犉犻犵.1 犈犾犲狏犪狋犻狅狀狅犳犕犪犻狀犅狉犻犱犵犲狅犳犉犻犳狋犺犆犺犪狀犵犼犻犪狀犵犚犻狏犲狉犅狉犻犱犵犲犻狀犖犪狀犼犻狀犵
南京长江五桥主桥采用悬臂对称拼装法施工, 全桥共设20组对 称 施 工 梁 段,具 体 的 施 工 步 骤 为: 裸塔施工→0号及 1 号 梁 段 拼 装 →2~14 号 标 准 梁 段悬臂拼装→两侧边 跨 合 龙 → 两 主 跨 15~19 号 标 准梁段悬臂拼装→两 主 跨 20 号 合 龙 梁 段 施 工 → 桥 面系施工(成桥)。 每 个 标 准 梁 段 的 施 工 分 为 起 吊、 组焊钢箱梁安装并 一 张 斜 拉 索、浇 筑 桥 面 板 湿 接 缝 并三张前一梁段斜 拉 索、桥 面 吊 机 前 移 并 二 张 本 梁 段斜拉索4个步骤。
关 键 词 :斜 拉 桥 ;稳 定 性 ;施 工 阶 段 ;运 营 阶 段 ;非 线 性 稳 定 系 数 ;承 载 能 力 ;有 限 元 法
中图分类号:U448.27;U441.4 文献标志码:A
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随着 施 工 悬 臂 长 度 的 增 加,结 构 的 非 线 性 稳 定 问题愈发凸显。非线性稳定问题的实质为极限承载 力问题,通常 采 用 荷 载 增 量 法 进 [1] 行 求 解。 大 跨 度 桥梁的非线性效应 显 著,按 照 传 统 的 线 弹 性 稳 定 方 法 计 [23] 算将高估其承载能力。因此,在考虑 几 何 和 材料非线性影响的前提下进行结构极限承载能力评 估,对保障大桥施 工 与 运 营 阶 段 的 安 全 性 具 有 重 要 的现实意义[49]。鉴于此,本 文 采 用 ANSYS 软 件 建 立南京长江五桥主 桥 整 体 有 限 元 模 型,计 算 施 工 过 程及主要运营阶段 的 非 线 性 稳 定 系 数,评 估 主 要 构 件的承 载 能 力,并 探 讨 结 构 非 线 性 稳 定 性 的 影 响 因素。
(1.西南交通大学土木工程学院,四川 成都 610031;2.中交公路规划设计院有限公司, 北京 100088;3.南京市公共工程建设中心,江苏 南京 210019)
摘 要:南京长江五桥主桥为主跨600m 的 三 塔 组 合 梁 斜 拉 桥,半 飘 浮 体 系。为 研 究 该 桥 在 施工和运营阶段的极限承 载 能 力,采 用 ANSYS 软 件 建 立 全 桥 有 限 元 模 型,考 虑 几 何 与 材 料 非 线 性,计算施工全过程及主要运营阶段各工况下结构的 非 线性 稳 定 系 数,评 估 主 要 构 件 的 承 载 能 力, 并 探 讨 桥 塔 钢 壳 与 斜 拉 索 破 断 对 结 构 非 线 性 稳 定 性 的 影 响 。 结 果 表 明 :施 工 阶 段 及 运 营 阶 段 ,该 桥 的整体非 线性稳定 系数均大 于临界 值 2.0,结构 的稳 定 性能满 足要求;三 大受力 构件 中,主 梁 的 承 载能力最强,桥塔次之,斜拉索的承载能力相对最弱;桥 塔钢壳 对 提 升 结 构 整 体 稳 定 性 能 具 有 不 可 忽 略 的 作 用 ;与 考 虑 斜 拉 索 破 断 时 相 比 ,不 考 虑 斜 拉 索 破 断 时 结 构 的 非 线 性 稳 定 系 数 显 著 提 高 。
犃犫狊狋狉犪犮狋:ThemainbridgeofFifthChangjiangRiverBridgeinNanjingisasemifloatingcable stayedbridgewith mainspanof600 m,whichpossessesthreepylonsandcompositegirder.Inor dertostudytheultimatebearingcapacityduringconstructionandoperationstages,weestablished afiniteelementmodelofthemainbridgebyANSYSsoftware.Takinggeometricandmaterialnon linearityintoaccount,wecalculatedthenonlinearstabilitycoefficientsofstructureinvariouscases includingthewholeconstructionprocessand mainoperationstages.Moreover,weevaluatedthe bearingcapacityofmajorcomponents,andanalyzedtheeffectsofcablefractureandsteelshellsof thepylononthenonlinearstabilityofstructure.Theresultsshowthatthenonlinearstabilitycoef ficientsoftheintegralbridgeareallgreaterthanthecriticalvalue2.0duringconstructionandop erationstage,which meettherequirementsofstructuralstability.Thebearingcapacityofthe maingirderisstrongest,andthebearingcapacityofthepylonandcablesdecreasesinasubsequent order.Steelshellsofthepylonplaysanonnegligibleroleinimprovingtheintegralstabilityof structure.Comparedwithconditionswhiletakingcablefractureintoaccount,thenonlinearstabili tycoefficientsofstructuresignificantlyincreasewhiledisregardingcablefracture.
犔犢犝犔犻犪狀犵1,犆犝犐犅犻狀犵2,犣犎犗犖犌犎犪狀狇犻狀犵1,犌犝犢狅狌狆犻狀犵1,犌犝犗犣犺犻犿犻狀犵3
(1.SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China;2.CCCC HighwayConsultants Co.,Ltd.,Beijing100088,China;3.NanjingConstructionCenterofPublicEngineering,Nanjing210019,China)
线处梁高3.6 m。 桥 塔 采 用 钢 - 混 凝 土 组 合 结 构, 纵向为钻石形、横 向 为 独 柱 式 结 构。 桥 塔 外 部 设 置 钢壳,内部浇筑 C50混凝土。中塔高177.407m,共 37 个节段;边塔高169.7 m,共36 个 节 段。桥 塔 中 上塔柱结 合 部 与 下 横 梁 内 均 布 置 高 强 度 预 应 力 钢 束。主梁和桥塔中 的 钢 板、钢 壳 及 各 类 加 劲 肋 均 采 用 Q345C 钢。
犓犲狔狑狅狉犱狊:cablestayedbridge;stability;constructionstage;operationstage;nonlinearsta bilitycoefficient;bearingcapacity;finiteelementmethod
收 稿 日 期 :2018-08-17 基 金 项 目 :国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 (51708466);江 苏 省 科 技 成 果 转 化 项 目 重 大 专 项 (2018Z02)
ProjectofNationalNaturalScienceFoundationofChina(51708466);MajorSpecialProjectofScienceandTechnologyAchieve mentTransformationofJiangsuProvince (2018Z02) 作 者 简 介 :吕 梁 ,博 士 生 ,Email:lvliang19881105@qq.com。 研 究 方 向 :桥 梁 结 构 力 学 行 为 ,既 有 桥 梁 检 测 加 固 等 。