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大跨度钢桁拱桥的极限承载力分析

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第２５卷第４期　２００８年ｌ２月　华中科技大学学报（城市科学版）　Ｊ，０ｆ　ＨＵＳＴ．（Ｕｒｂａｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｖｏ１．２５　Ｎｏ．４　Ｄｅｃ．２ＯＯ８　

大跨度钢桁拱桥的极限承载力分析　

盖卫明，任伟新　

（中南大学土木建筑学院，湖南长沙４１００７５）　

摘要：钢桁拱桥是以承压为主的结构体系，随着跨径的不断增大，其非线性效应会变得十分突出，因此研究　

其极限承载力并对其安全性进行准确评估就变得尤为重要。本文以主跨４３６ｍ的中承式钢桁拱桥新蕉门大桥为　例，运用大型有限元软件ＡＮＳＹＳ详细分析了该桥的极限承载力，并探讨了不同荷载分布方式对其极限承载力　

的影响。结果表明以分支点稳定理论为基础的线弹性分析大大高估了桥梁的安全系数：与几何非线性分析结果　

相比较，材料非线性对此桥极限承载能力的影响较大；不同的荷载分布方式对此桥的极限承载力影响较小。　关键词：钢桁拱桥；几何非线性；材料非线性；极限承载力；有限元分析　

中图分类号：Ｕ４４１　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—７０３７（２００８）０４—０３２８—０４　

拱桥的稳定问题一直是人们关心的问题之　

一。国内外学者对拱桥稳定的研究，经历了从线　性到非线性、从平面到空间、从裸拱到全桥的发　展过程，早期多集中于采用线性方法对简化桥梁　

模型的分析，如今随着电子计算机的快速发展，　采用非线性有限元法对实际全桥极限承载力进行　研究已成为一种趋势ｕＩ２】。近年来，我国的拱桥建　

设不断向大跨度方向发展，特别是钢桁拱桥，拟　

将建成的重庆朝天门大桥主跨达到了５５２　ｍ。随　着拱桥跨径的不断增大，其非线性稳定问题会变　

得尤为突出，所以对其极限承载力进行研究将具　有重要意义【３．４Ｊ。本文在总结稳定分析方法的基础　

上，应用ＡＮＳＹＳ详细分析了一座钢桁拱桥的极　限承载力。　

结构稳定极限承载力　

结构的失稳是由于在平衡路径上出现了奇异　

点，也叫临界点，包括分支点和极值点两种Ｉ４曲】。　

分支点失稳假定结构失稳时处于弹性小变形范　围，结构的内力与外荷载成比例关系，达到临界　

荷载时，结构的平衡出现了分支，此时结构的平　衡方程为：　＋　）｛　：０　（１）　分支点稳定问题为一特征值问题，求解该特　征方程组可得结构临界荷载为　，＝　ｉｎ￣　。　

分支点失稳只适用于理想的结构，实际结构　由于制造、安装等原因不可避免的存在一些初始　缺陷，因此自荷载的开始施加，结构就开始产生　失稳方向的位移，这种位移必然对结构的平衡状　

态产生影响，所以考虑了结构大位移效应后的结　构的ＵＬ列式增量平衡方程为：　（　）｛△　＝｛ｚＸＦ｝　（２）　式中，　为引入结构位移的弹性刚度矩阵；　为　

初应力矩阵，它们都是位移｛　的函数。　这种仅考虑几何非线性因素和结构的初始缺　陷的分析，假定材料是无限弹性的，得到的结构失　

稳临界荷载趋近于分支点失稳临界荷载，然而实　际结构在达到此荷载水平前，部分构件已达到了　

它的材料极限强度。当引入了材料的非线性特性　后，结构的ＵＬ列式增量平衡方程为：　

，　）｛△　＝｛△Ｆ｝　（３）　

式中，　，　为考虑了材料非线性应力应变关系的　

弹塑性刚度矩阵，这时，按极值点失稳理论求得的　结构失稳临界荷载就是结构的极限承载力，也称　压溃荷载。　

２桥例概述及计算模型简介　

２．１桥例概述　

新蕉门大桥是广州南沙开发区拟将建设的公　

路、城市轻轨两用跨江特大桥，为连续钢桁梁一　钢桁拱桥。上层为双向六车道公路桥面，总宽２７．８　

ＩＩ１；下层桥面布置为双线轻轨加两侧２．５　ｍ宽人　行道。主桥采用（９６＋１６４＋４３６＋１６４＋９６）ｍ的跨度　

布置，主跨４３６　ＩＴＩ，失高９８　ｍ，矢跨比为ｌ：４．４５。　

收稿日期：２００８—０７．０５　

作者简介：盖卫明（１９８２一），男，河北河间人，硕士研究生，研究方向为桥梁结构非线性分析，ｇａｉｗｅｉｍｉｎｇ＠１６３．ｃｏｍ。

　第４期　盖卫明等：大跨度钢桁拱桥的极限承载力分析　・３２９・　

钢桁拱采用变高度桁架拱，桁高在拱跨中为１　ｌｍ，　在拱脚为５３ｍ。钢桁拱拱肋上弦、下弦均采用二　

次抛物线变化，上弦在拱脚处与边跨桁梁之间采　用圆曲线过渡接顺。作为主要承重结构的两主桁　

片，均是由带加劲肋的箱型和工字型钢梁用整体　节点板组装栓接而成。　

２．２有限元分析模型　本桥利用ＡＮＳＹＳ建模分析，按设计图纸在　各类杆件连接处设置空间节点１０　２６７个，划分各　

类单元６　７７０个。其中桁梁、桁拱、拱肋上下平　纵联、横联、上下层桥面系中的纵横梁及撑杆采　

用空间梁单元模拟（ＡＮＳＹＳ中ＢＥＡＭ１８８单元）；　梁拱间的吊索采用空间杆单元模拟（ＡＮＳＹＳ中　

ＬＩＮＫ　１０单元）。按各构件的几何特性不同共定义　了３４种梁单元和２种杆单元。图１为其三维有限　

元分析模型。　

图１新蕉门大桥三维有限元模型　

３极限承载力分析［７￣１０】　

３．１基本假定　（１）材料非线性分析中采用Ｖｏｎ　Ｍｉｓｅｓ屈服　准则，所用钢材视为理想弹塑性材料，主桁架所　用钢材的屈服应力取　＝３７０　ＭＰｍ桥面系及联　

接系所用钢材的屈服应力取　，＝３４５　ＭＰａ高强　

度钢索的屈服应力取　＝１　８６０　ＭＰａ。　

（２）活荷载只考虑了公路荷载、轻轨活载和　

人行荷载。公路荷载为公路Ｉ级六车道，按规范　折减；轻轨活载按设计说明书取值；人行荷载按　

ＪＴＧ　Ｄ６０—２００４《公路桥涵设计通用规范》取值为　

２．５ｋＮ／ｍ　。　（３）由于拱桥结构无统一的恒载集度，因此，　本文采用活荷载系数作为结构的稳定安全系数。　活荷载系数ｎ＝ｑｌ／ｑｏ，其中，鸟，为施加活荷载集　

度，　为设计活荷载集度。　

３．２计算结果分析　用ＡＮＳＹＳ做非线性稳定计算时，首先一次　

性施加恒载，然后逐级施加活载（全桥均布）直到　

结构失稳。图２给出了几何非线性分析和双重非　线性分析的拱肋跨中点荷载．位移（竖向）曲线，同　时给出了不考虑非线性因素的线性求解结果以作　

比较。　

８０　

６Ｏ　妊　鬟４０　

２Ｏ　

Ｏ　

８　

≈６　

４　蜂　２　ｌ０　２Ｏ　３Ｏ　穆７ｍ　（ａ）几何非线性分析　

０　１　２　３　４　位移／ｍ　（ｂ）双重非线性分析　图２拱肋跨中点竖向位移．荷载曲线　图３给出了几何非线性分析和双重非线性分　析时跨中吊索单元２４０的轴向应力一荷载关系曲　

线，也同时给出了线性结果以作比较。　

８０　

６Ｏ　

装４０　

２０　

０　

８　

≈６　鼎　塥４　恤　２　３　０００　６０００　９　０００　索单元２４０的轴向廊．，￣／ＭＰａ　

（ａ）几何非线性分析　

０　２００　４００　６００　８００　ｌ　０００　索单元２４０的轴向应力／ＭＰａ　

（ｂ）双重非线性分析　

图３索单元２４０的轴向应力．荷载曲线　从图２中可以看出：　

（１）做几何非线性分析时，当活载系数ｎ　

增大到６Ｏ时，拱桥的几何非线性效应开始变得明　・３３０・　华中科技大学学报（城市科学版）　２００８年　

显，当ｒ／增大到７３．０３时此桥达到它的最大承载　

能力，但从索的内力变化图可以看出此时索的轴　向拉应力早已超出了它的屈服强度，可见几何非　

线性分析大大高估了拱桥的承载力。　（２）做双重非线性分析时，当活载系数ｎ　

增大到６时，少量的活载增量即会引起拱肋跨中　竖向位移的急剧增加，表明拱桥的部分杆件已开　

始产生塑性变形；当活载系数，ｚ达到最高点６．７９　时，拱桥达到了它的极限承载力，此时拱肋的大　

部分主要受力杆件已经屈服，结构已不能承受更　大的荷载。　（３）双重非线性分析得到的结构失稳活载系　数是线性屈曲法得到的结构临界活载系数的　

８．５％，是仅考虑几何非线性得到的结构失稳活载　

系数的９＿３％。故材料非线性的考虑大大降低了结　构的失稳活载系数，使对结构极限承载力的计算　

趋于保守和安全，是结构极限承载力分析必须考　虑的因素。　３．３荷载分布方式对结构极限承载力的影响　下面分三种工况考察了不同活载分布方式对　

结构极限承载力的影响。　工况１：恒载＋活载（全桥均布）；　

工况２：恒载＋活载（中跨均布）；　

工况３：恒载＋活载（半中跨均布）。　图４为三种工况下考虑所有非线性时拱肋跨　

中点竖向位移一荷载关系曲线。　

８　

６　蠡　垛　彝ｄ　蛭　２　

Ｏ　４　

图４三种工况下双重非线性分析的　拱肋跨中点竖向位移一荷载关系曲线　从图４中可以看出：三种不同的活载布置情　

况下求得的结构失稳活荷载系数都相差较小，可　

见不同的荷载分布方式对此桥极限承载力的影响　不大。　

４结论　

通过对大跨度钢桁拱桥极限承载力的分析，　可以得到以下结论：　（１）线性方法和仅考虑几何非线性的方法均　

会过高地估计结构的极限承载力，要准确评估出　

拱桥结构的极限承载力必须考虑材料的非线性特　性。　（２）不同的荷载分布方式对此桥的极限承载　力的影响不大，半中跨均布活载下结构的极限承　

载力略低于全桥均布活载和中跨均布活载下的结　构极限承载力。　

参考文献　

【１】　程进，江见鲸，肖汝诚，等．拱桥结构极限承载力　

的研究现状与发展［Ｊ】．公路交通科技，２００２，（４）：　

５７．５９．　［２］２　李国豪．桥梁结构稳定与振动【Ｍ】．北京：中国铁道　出版社，１９９２．　【３］３　秦　荣．工程结构非线性【Ｍ】．北京：科学出版社，　

２００６．　【４】４　潘家英，张国政，程庆国．大跨度桥梁极限承载力　

的几何与材料非线性耦合分析［Ｊ］．土木工程学报，　

２０００，（１）：５—８．　【５】　任伟新，曾庆元．钢压杆稳定极限承载力分析【Ｍ】．　

北京：中国铁道出版社，１９９４．　

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Ｃａｂｌｅ—ｓｔａｙｅｄ　Ｂｒｉｄｇｅｓ［Ｊ］．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｂｒｉｄｇｅ　

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９９，４（１）：３０—３７．　［８】　赵长军，王锋君，陈强，等．大跨度钢管混凝土拱　

桥空间稳定性分析［Ｊ］．公路，２００１，（２）：１５—１８．　【９】　颜全胜，骆宁安，韩大建，等．大跨度拱桥的非线性　与稳定分析［Ｊ】＿华南理工大学学报（自然科学版），　

２０００，２８（６）：６４—６８．　【ｌ０】胡　俊，郭向荣．钢桁梁柔性拱桥极限承载力分析　

［Ｊ］．铁道建筑，２００６，（１２）：７－９．

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桁式钢管混凝土拱桥面内极限承载受力研究

桁式钢管混凝土拱桥面内极限承载受力研究

第２期（总第１３２　１　２００８年４月　中圄千盛王　ＣＨＴＮＡ　ＭＵＮＩＣＩＰＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＣ　Ｎｏ　２（Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ１３２）　Ａｐｒ．２００８　

桁式钢管混凝＋拱桥面内极限承载受力研究　

陈海滨　（上海市政工程设计研究总院道路桥梁设计研究院，上海２０（）０９２）　摘要：以４管桁式钢管濉凝土拱桥为实例．采州弹塑性大变形计算理论，对拱桥而内极限承载受力全过程进行研究。　刈拱　失稳形态和拱肋　向位移、轴力、弯矩的发展等方面作了比较。最后对钢管混凝土拱桥设计规范（修订稿）中　的简化计算方法进行了¨论　、　关键词：钢管混凝土拱桥；面内极限承载受力；拱肋；简化计算方法；研究　中图分类号：Ｕ４４８．２２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—４６５５（２００８）０２—００２４—０３　近年来，钢管混凝土拱桥在我国发展很快，但　理论和试验研究相对落后。此类拱桥在实际应用中　出现了一些问题，因此很有必要对此类拱桥非线性　结构行为和极限承载能力进行探讨。目前，对单元　和哑铃形拱肋钢管混凝土拱桥的极限承载受力全过　程已有学者进行了相关研究　ｊ，包括有限元计算和　实验研究，而埘桁式钢管混凝土拱桥的受力特性研　究还比较少，往往局限于面内外的特征值稳定研究。　拱的面外稳定，主要通过横撑布置的方式和数　量来保证，而截面设计则是影响拱桥面内稳定的重　要冈素　、研究桁式钢管混凝土拱面内极限承载受力　的全过程可以对桁式拱桥的设计提供有效的参考与　借鉴。　本义以一座４管桁式钢管混凝土拱桥为原型，　’、　采用弹塑性大变形计算理论Ｉ　Ｉ，考虑材料和几何双重　非线性的影响，对其在对称和反对称活载作用下面　内极限承载受力过程进行详细研究，并将非线性有　限７亡和从相关规范归纳出的简化算法的计算结果进　行比较。　１计算模型　以图１所示的中承式钢管混凝土拱桥为实例进　行分析，桥面结构为漂浮体系，拱肋与桥面系之间　的传力路径十分明确，存拱肋稳定计算中可以不考　虑桥面的作用。桥梁全长３３０　ｉｎ、跨度３０８　ｍ，矢高　５６　ｍ，悬链线拱轴；桥宽ｌ４．７　Ｉｌｌ，由２片拱肋组成。　每片拱肋为４个　８５０　ｍｉｌｌ的钢管组成的矩形桁架，　拱肋弦管钢材采用Ｑ３４５　ｃ。上弦钢管的管壁厚度均　为ｌ２　ｉＩｌｉｎ，下弦分为拱脚２０　ｌｎｍ、近拱脚处１４　Ｉｌｌｌ＇／ｌ、　其他部位１２　ｍｍ共３种，钢管内灌注Ｃ５０级微膨胀混　凝土。拱肋上、下弦钢管中心距离为５　２００ＩｎＰｏ，内外　收稿日期：２（）（）８—０２～１８　・２４・　钢管中心距为２　５５０／ｉｌＩｌｌ。上、下弦钢管之间采用　４，５２９　ｒｉｌｍ　ｘ　１０　ｍｍ的钢管作为腹杆进行连接，腹杆　钢管的钢材采用Ｑ２３５　ｃ。　３０７．９４　

应用复合梁单元实现钢管混凝土拱桥的极限承载力分析

应用复合梁单元实现钢管混凝土拱桥的极限承载力分析

文章编号:100128360(2003)0520097206应用复合梁单元实现钢管混凝土拱桥的极限承载力分析

曾国锋,　范立础,　章关永(同济大学桥梁工程系,上海　200092)摘　要:进行大跨度钢管混凝土拱桥的极限承载力分析,需要综合考虑几何和材料非线性、混凝土收缩和徐变、温度变化等多种因素的影响。本文从固体力学的基本理论出发,建立适于考虑上述诸多因素的复合梁单元,阐述了基于该单元的钢管混疑土拱桥极限承载力分析程序的实现方法,并通过与一个哑铃形截面钢管混凝土组合式拱肋极限承载力试验结果的对比验证了其可行性。关键词:钢管混凝土拱桥;几何和材料非线性;有限元;复合梁单元中图分类号:U442;U448.22 文献标识码:ALoadcapacityanalysisofconcretefilledsteeltubearchbridgewiththecompositebeamelement

ZENGGuo2feng,　FANLi2chu,　ZHANGGuan2yong(DepartmentofBridgeEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)Abstract:Intheloadcapacityanalysisofthelargespanconcretefilledsteeltube(CFST)archbridge,factorssuchasgeometricalandmaterialnonlinearity,creepandshrinkageandtemperaturevariationneedtobetakenintoaccount.Inthisarticle,acompositebeamelementwhichfitsconsiderationoftheabovementionedfactorsisestablishedonthebasisoffundamentaltheoriesofthesolidmechanics,andthemethodtorealizetheloadcapacityanalysisprogramforCFSTarchbridgeisexplained.Feasibilityofthisprogramisalsoverifiedbycomparisonofcomputationresultswithanexperimentonacompounding2formCFSTarchribofdumbbell2shapedsection.Keywords:concretefilledsteeltubearchbridge;geometricalandmaterialnonlinearity;finiteelementanalysis;com2positebeamelement 进行桥梁结构的极限承载力分析,需要考虑多种非线性因素的影响,如几何和材料非线性、

永修特大刚架系杆拱桥刚架拱稳定性和极限承载力分析

永修特大刚架系杆拱桥刚架拱稳定性和极限承载力分析

广东建材２０１１年第２期　研究与探讨　

永修特大刚架系杆拱桥刚架拱　

稳定性和极限承载力分析　

章开东　

（中铁第四勘察设计院集团有限公司）　

摘　要：采用线弹性稳定理论、几何非线性分析法和双重非线性全过程分析法，分析在静力荷载作　用下，昌九城际铁路永修特大刚架系杆拱桥刚架拱的稳定性和极限承载力，并分析　Ｅ保向力效应”对　刚架拱的稳定性和极限承载力的影响。　

关键词：刚架系杆拱桥；非保向力效应；稳定性；极限承载力　

１引言　

刚架系杆拱桥是我国在系杆拱桥的基础上首创的　

一种新桥型，１９９０年建成的四川旺苍尔河大桥，是我国　

首座下承式刚架系杆拱桥＿】］。此后，随着系杆拱桥在我　

国的发展，特别是最近二十年，我国已经建造了数以百　

计的刚架系杆拱桥，且跨度由最初的几十米到现在的几　

百米；拱肋材料由以前的钢筋混凝土到现在的钢管混凝　

土、钢材；施工方法由以前的满堂支架施工到现在的缆　

索拼装、吊装施工。　

从出现到现在不到２０年的时间，兴建了不下百座　

桥，且单孔跨径不断刷新。随着跨径以及结构承受荷载　

的增大，刚架系杆拱桥的稳定性和极限承载力问题显得　更加突出。大跨度刚架系杆拱桥稳定性和极限承载力的　

研究具有重要的理论意义和工程价值。　

２工程概况　

永修特大桥主桥为跨修水而设，采用　

３１．７５＋１２８＋３１．７５ｍ的刚架系杆拱桥，整体立面图如图１　

所示。该桥主拱肋为等截面钢箱双肋平行拱结构，拱肋　

图１永修特大桥立面布置图　

加固前后衬砌体系的失效模式，失效模式经过组合，并　

考虑对称性，加固前有６种组合，加固后有１Ｏ种组合。　

根据虚功原理，可计算出各失效模式的极限状态方程、　

并计算出加固前后各失效模式问的相关系数、采用ＪＣ　

法可得各失效模式的可靠指标。分别采用ＰＮＥＴ法和基　

于条件概率估计法，计算体系可靠度的计算结果列于表　

３　

表３体系可靠度计算结果　ＰＮＥＴ法　条件概率法　１３　Ｐｆ　Ｐｆ　加固前　１．０１　Ｏ．１５６１　０．９４　Ｏ．１７３４　加固后　１．２２　Ｏ．１１００　１．２８　０．０９９９　

钢筋混凝土钢架拱桥结构的极限承载力探析

钢筋混凝土钢架拱桥结构的极限承载力探析

钢筋混凝土钢架拱桥结构的极限承载力探析冉婷婷(中铁二十三局集团第三工程有限公司，四川成都611130)一’……41～一…。…|!÷J“…’。1，。4m‘1…、’…}：晰…j…’。1-……。i……’……。。。。n‰”：。。’i7“。…r‘÷’7t％…；…；。…。’r‘’’…¨‘14。…。。。；…。。。。。4。。。。’；!口商耍】钢筋混凝土钢架拱桥的建造历史悠久，近年来更是作为桥粱建设的主要桥型。本文主．要分析了钢筋混凝土钢架拱桥结构的稳匀陡j，问题，随后以具体的工程为例对钢筋混凝土钢架拱桥结构的极限承裁力进行了探讨。。‘，，?；，【关键词]混．凝士；拱桥；极限承敲力j强{，?jj，／，…jⅦr．?r，随着我国国民经济的发展，对桥梁建设的投入越来越大，钢筋混凝土钢架拱桥作为轻型拱桥一直受到大家的喜爱，拱肋作为一种压弯构件，随着跨径的增大，要求拱肋材料具有较高的抗压强度和稳定性，钢管混凝土拱肋克服了混凝土拱肋的笨重、施工不便和纯钢结构拱肋的昂贵。但是随着公路运输量的大幅增长以及拖挂运输和集装箱运输的推行，钢筋混凝土钢架拱桥也不可避免的出现了病害现象，从而和现行的桥梁使用规范出现了差异。因此，对钢筋混凝土钢架拱桥的极限承载力研究显得尤为重要。1钢筋混凝土钢架拱桥结构的稳定性分析通常，按照拱在失稳时状态是否发生质变，稳定问题可分为第一类稳定和第三类稳定两大类。第一类稳定指的是在没有荷载偏，D和初始缺陷的情况下，当承受的荷载超过一定的临界值时，拱将失去原来的平衡状态转而进^新的平衡状态，即拱的平衡状态出现分支，因此第一类稳定又称为线弹性分支点稳定；第二类稳定问题指在荷载作用下，拱的平衡状态不发生质变，结构在材料达到塑性状态后被压溃，是儿何、材料双重非线性的极值点稳定问题。我国桥涵设计规范中将拱的稳定验算简化为—个等效长度轴心受压柱的线弹性一类稳定问题，并规定安全系数K约为4--50目前，对钢管混凝土拱桥第一类稳定分析的较多，第二类稳定分析的较少：对几何非线性分析的较多，材料非线性考虑的较少：对析式截面钢管混凝土拱桥极限承载里的实验研究和理论计算相对少。2钢筋混凝土钢架拱桥结构的极限承载力分析2．1工程概况某市一座改进型钢筋混凝土钢架拱桥于2007年9月建成，是9孔30米钢筋混疑土钢架拱桥。主要技术标准如下：7等级：公路一I级，单向三车道计算行车速度：60km，h桥面标准宽度：13m(净12+2x0．5米(防撞护栏))纵坡：纵坡为平坡横坡：单向横坡15％22控制荷栽布置通常情况下，第一类稳定问题的求解值就是第二类稳定问题的极值点的上限。进行极限承载力研究时，各工况所需要施加的荷载上限值由该工况下第一类稳定分析的～阶稳定特征值与所施加荷载的乘积确定。根据对单跨整桥各工况荷载施加位置及大小和单跨边拱片各工况荷载施加位置及大小的分析，单跨整桥进行极限承载力研究的荷载上限值施加位置及大小。根据对单跨边拱片各工况荷载施加位置及大小和单跨边拱片改进设计的第一类稳定特征值分析，可以得出跨边拱片进行极限承载力硐究的荷载上限值施加位置及大小如图1。