鋼桁架橋的極限承載力

1、大跨度鋼桁架拱橋的極限承載力研究專業(yè)：09軟件+橋梁3班學(xué)號(hào)：20092110060314姓名：謝麟摘要：在強(qiáng)地震設(shè)防區(qū)或橋梁承受鐵路荷載且地質(zhì)條件良好時(shí)， 鋼桁架拱橋是理想的大跨度橋梁選擇方案。以朝天門大橋和大寧河大 橋?yàn)楸尘?，從邊界條件、初始狀態(tài)、荷載要素等幾個(gè)關(guān)鍵影響參數(shù)著 手，對(duì)大跨度鋼桁架拱橋的極限承載能力進(jìn)行參數(shù)研究，指出活載的 布置形式、側(cè)向風(fēng)荷載及不同的約束條件對(duì)鋼桁架拱橋的極限承載力 有較大影響。關(guān)鍵詞：鋼桁架拱橋；參數(shù)分析;極限承載力；研究1刖言鋼桁架拱橋和鋼斜拉橋相比，具有剛度大，穩(wěn)定性和抗震性好 等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)橋址處于風(fēng)速或地震烈度較大的地區(qū)，或橋梁承受鐵路荷 載且地質(zhì)條件

2、良好時(shí)，鋼桁架拱橋是一種理想的大橋度橋梁選擇方 案。國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用解析法、數(shù)值分析法和試驗(yàn)法對(duì)影響鋼拱橋極限 承載力的因素進(jìn)行了大量的研究，為實(shí)際設(shè)計(jì)和制定規(guī)范提出了具 體建議14。但其中的主要研究對(duì)象大多是鋼箱拱橋，有關(guān)鋼桁架 拱橋的研究很少。本文以大寧河大橋（主跨400m鋼箱桁架上承式拱 橋）和朝天門大橋（190m+ 552m+190m中承式鋼桁連續(xù)系桿拱橋）為 背景，應(yīng)用大型有限元分析軟件ANSYS從邊界條件、初始狀態(tài)、荷載 要素等幾個(gè)方面對(duì)大跨度鋼桁架拱橋的極限承載能力進(jìn)行參數(shù)研究，找出影響鋼桁架拱橋極限承載力的主要因素，為實(shí)際設(shè)計(jì)提供有益 的幫助。2邊界條件對(duì)承載力的影響不同的邊界條

3、件將直接影響拱肋的力學(xué)性能。鉸接拱腳相對(duì)于固 接拱腳而言，由于不產(chǎn)生彎矩而使基礎(chǔ)部分的材料用量降低，但可 能會(huì)導(dǎo)致拱肋軸力增加并降低結(jié)構(gòu)的剛度。為研究改變邊界支承條件 對(duì)鋼桁架拱橋極限承載力的影響，取3種不同的邊界條件進(jìn)行計(jì)算。 邊界條件一：兩側(cè)拱腳處固接；邊界條件二：兩側(cè)拱腳處鉸接；邊 界條件三：拱腳處一側(cè)為鉸接，另一側(cè)為滑動(dòng)。計(jì)算結(jié)果如圖1所 示。段頂豎向倪移、(a)大寧河大橋0. 4 0- 8 1. 2 L 6 2.0 2.4 2+8邊界條件一，邊界條件二邊界條件三拱頂豎:向位移血(b)朝天門大橋圖1不同邊界條件時(shí)荷載位移曲線計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于大寧河大橋(上承式鋼桁架拱)，拱腳固接比 拱

4、腳鉸接的全橋極限承載力高出近8%，在極限荷載下的結(jié)構(gòu)變形響 應(yīng)也要多出近50%。而對(duì)于朝天門大橋(連續(xù)拱梁組合體系)，拱腳 鉸接與固接差別不大，在1%以內(nèi)，采用邊界條件三時(shí)，朝天門大橋 的極限承載力高出其它2個(gè)邊界條件近7. 5%，其變形能力亦為最大。 綜合可見，當(dāng)以穩(wěn)定控制橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，上承式拱橋采用拱腳固接的 形式為宜；對(duì)于中承式連續(xù)拱梁組合體系而言，采用邊界條件三最 為合適。本文后續(xù)計(jì)算分析中，大寧河大橋采用拱腳固接的約束形式, 朝天門大橋采用的是一側(cè)鉸接一側(cè)滑動(dòng)的約束形式。3初始幾何缺陷對(duì)承載力的影響大跨度鋼桁架拱橋在架設(shè)過(guò)程中，多采用桿件或節(jié)段拼裝的施 工方法，由于拼接的節(jié)點(diǎn)多，施工中

5、容易產(chǎn)生線形誤差，使拱肋在 平面內(nèi)、外均存在一定的初始撓度，在結(jié)構(gòu)自重及外荷載作用下，拱 肋將產(chǎn)生附加的內(nèi)力和變形，這勢(shì)必會(huì)影響成橋以后的橋梁承載能 力。為分析初始幾何缺陷對(duì)大跨度鋼桁架拱橋極限承載力的影響，在 計(jì)算模型中，分別取彈性穩(wěn)定計(jì)算的面內(nèi)和面外1階屈曲模態(tài)作為 初始幾何缺陷構(gòu)形，給結(jié)構(gòu)施加L/ 4000L/ 1000 的初始缺陷幅值。計(jì)算結(jié)果如表1、2所示。表1面內(nèi)缺陷（反對(duì)稱）對(duì)鋼桁架拱橋承載力的影響力71芯仙昭W缶1估大寧河大橋朝天門大橋_舐+T形才安全系數(shù)拱頂豎向位移/m安全系數(shù)拱頂豎向位移/m不計(jì)缺陷3.569 0L7342. 8832 494面內(nèi)正對(duì)稱 4 0003.530

6、 8L4672.7352 037LI 3 000L/ 2 0003.521 73.471 41.4321. 3882.7342. 7332 0362 036面內(nèi)反對(duì)稱LI 1 0003.461 21. 3002. 7332 036表2面外缺陷（對(duì)稱）對(duì)鋼桁架拱橋承載力的影響初始缺陷比例值-安全系數(shù)大寧河大橋拱頂豎向位移/m 拱頂橫向位移/m安全系數(shù)拱頂曜斜黃拱頂橫向位S破壞形式不計(jì)缺陷3. 569 01.7340. 0002. 8832.4940.000L/4 0003. 568 81.7320. (B02. 8702.4070.051LI3 0003. 568 61.7130. 0392.

7、8602.3770.070面內(nèi)正對(duì)稱L/2 0003.568 61. 7060. 0592. 8572. 3690.114L! 1 0003.568 31. 6590. 1192. 7572.0470.171從表中結(jié)果可以看出，對(duì)于大寧河大橋，考慮面內(nèi)初始缺陷為L(zhǎng)/ 1000時(shí)，其恒載穩(wěn)定安全系數(shù)降低了 3%;考慮面外初始缺陷為L(zhǎng)/ 1000時(shí)，其恒載穩(wěn)定安全系數(shù)幾乎沒有降低；對(duì)于朝天門大橋, 考慮面內(nèi)初始缺陷為L(zhǎng)/ 1000時(shí)，其恒載穩(wěn)定安全系數(shù)降低了 5%;考 慮面外初始缺陷為L(zhǎng)/ 1000時(shí)，其恒載穩(wěn)定安全系數(shù)降低了 4%?？?體來(lái)看，2座橋的極限承載力對(duì)幾何初始缺陷并不敏感，相對(duì)較小的

8、 初始擾動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)承載力影響較小，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì).4荷載要素對(duì)承載力的影響在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，拱橋不僅僅承受恒載也要受到其它荷載的作用， 依據(jù)橋梁設(shè)計(jì)中常用的荷載形式,選取活載、溫度荷載和橫向風(fēng)荷載 來(lái)研究其對(duì)鋼桁架拱橋極限承載能力的影響。4. 1均布荷載利用均布荷載來(lái)模擬活載的不同布載形式對(duì)鋼桁架拱橋極限承 載力的影響。在計(jì)算中選擇了 3種布載方式，工況一：全橋均布荷載; 工況二：半側(cè)均布荷載；工況三：半跨均布荷載。為了保證3種工況 下所加的均布荷載總量相同，工況一的均布荷載大小取為30kN/ m, 工況二和工況三取為60kN/ m。同時(shí)在計(jì)算中考慮了單倍橋梁自重的 作用，計(jì)算結(jié)果如表3所示

9、。表3均布荷載形式對(duì)鋼桁架拱橋承載力的影響工況大寧河大橋安全系數(shù)朝天門大橋 拱頂豎向位移/m拱頂橫向位移/m破壞形式安全系數(shù)拱頂豎向位移/m拱頂橫向位移/m工況一16. 9231. 592014. 6042. 1370面內(nèi)正對(duì)稱工況二15. 1621. 5190. 5115.7481. 5741. 366彎扭耦合工況三：6. 9451.40928. 1721. 5130面內(nèi)反對(duì)稱計(jì)算結(jié)果表明，無(wú)論是面內(nèi)還是面外的非對(duì)稱荷載，相對(duì)于對(duì) 稱荷載來(lái)說(shuō)，都將大大地降低橋梁的極限承載能力。鑒于橋梁自身不 同的剛度特點(diǎn)，對(duì)于大寧河大橋，其面內(nèi)非對(duì)稱荷載產(chǎn)生的面內(nèi)彎 矩對(duì)結(jié)構(gòu)極限承載力的影響最為顯著；對(duì)于朝

10、天門大橋，由于面內(nèi)、 外剛度比較相近，在偏載產(chǎn)生的面內(nèi)、外彎矩耦合作用下會(huì)導(dǎo)致拱橋剛度急劇減小，拱橋極限承載能力大大降低。4. 2溫度荷載溫度荷載是鋼橋設(shè)計(jì)中需要著重考慮的因素。溫度荷載的大小將 直接影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力、豎向變形、水平反力等。在計(jì)算中選擇5種工況, 工況一：恒載+升溫60 ;工況二：恒載+升溫30 ;工況三：恒 載；工況四：恒載+降溫30 ;工況五：恒載+降溫60。其中溫度 荷載作第一個(gè)荷載步先作用于結(jié)構(gòu)上，然后逐級(jí)施加恒載直至結(jié)構(gòu)達(dá) 到極限承載力。計(jì)算結(jié)果如圖2所示。EDCBAC工況三I I I I I _ r0 0,5 LO 1,5 2.0 2.5 10拱頂暖向位移An拱頂豎同位

11、移An(a)大寧河大橋(址朝天門大橋圖2受不同溫度荷載作用時(shí)荷載位移曲線計(jì)算結(jié)果表明，在進(jìn)行全橋極限承載力分析中，溫度荷載的作用 類似于對(duì)結(jié)構(gòu)施加一定的初應(yīng)力及初始變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度發(fā)生 少量的變化而影響到橋梁的極限承載能力?？傊?，無(wú)論有推力還是無(wú) 推力鋼桁架拱橋，環(huán)境溫度的升高或降低對(duì)整個(gè)橋梁的極限承載力 影響不大，當(dāng)溫度在60 變化時(shí)，承載力影響在7%以內(nèi)。4. 3橫向風(fēng)荷載隨著拱橋跨徑的增加，拱橋在靜風(fēng)荷載作用下的穩(wěn)定性問題也 引起了人們的關(guān)注.劉煜通過(guò)對(duì)盧浦大橋的靜風(fēng)穩(wěn)定分析，認(rèn)為隨著 風(fēng)速的增加,大跨度鋼箱拱橋極限承載力的下降幅度越來(lái)越大。在風(fēng) 速達(dá)到80m/ s時(shí)，盧浦大橋恒載+

12、滿跨均布荷載作用下的極限承載 能力將減少40. 6%。根據(jù)!鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范（TB10002. 1-99） 中4. 4. 1條的規(guī)定，桁架拱橋橫向風(fēng)力的受風(fēng)面積取值很大，其橫 向風(fēng)荷載對(duì)橋梁極限承載能力的影響亦不容忽視。為研究橫向風(fēng)荷載 對(duì)鋼桁架拱橋極限承載能力的影響，分別取以下3種工況進(jìn)行研究。 工況一：恒載；工況二：恒載+橫向風(fēng)荷載（風(fēng)速30m/ s）;工況三: 恒載+橫向風(fēng)荷載（風(fēng)速60m/ s）。每一種工況中橫向風(fēng)荷載作為 初始荷載首先作用于結(jié)構(gòu)上，然后只是增加恒載直至結(jié)構(gòu)破壞。計(jì)算 結(jié)果如表4所示。表4不同風(fēng)荷載對(duì)鋼桁架拱橋承載力的影響工況大寧河大橋朝天門大橋安全系數(shù)拱頂豎向位移

13、/m拱頂橫向位移/m破壞形式安全系數(shù)拱頂豎向位移/m拱頂橫向位移/m破壞形式工況一3. 5691.7340. 000面內(nèi) 正對(duì)稱2. 8832.4940. 000面內(nèi)正對(duì)稱工況二3. 566L 6990. 0492. 6642. 0870. 756彎扭耦合工況三,3. 5631.6760. 1?62.0951.9862. 932彎扭耦合從表4計(jì)算結(jié)果可以看出，橫向風(fēng)荷載對(duì)大寧河大橋恒載下的極 限承載能力影響較小，在風(fēng)速達(dá)到60m/ s時(shí)，其承載力僅降低了 0. 2%,在設(shè)計(jì)時(shí)可以完全忽略其成橋狀態(tài)下的橫向靜風(fēng)影響。對(duì)于朝天 門大橋，橫向風(fēng)荷載的影響則不容忽視，在風(fēng)速達(dá)到60m/ s時(shí)，其 承載

14、力降低了 27%。相對(duì)于橫向初始幾何缺陷而言，橫向風(fēng)荷載的影 響更應(yīng)當(dāng)引起設(shè)計(jì)者的注意。為了追蹤2座鋼桁架拱橋在60m/ s風(fēng) 荷載作用下其恒載承載能力極限狀態(tài)的破壞形式，圖3中分別列出 大寧河大橋和朝天門大橋主要屈服截面在加載過(guò)程中的內(nèi)力相關(guān)曲 線（My:面內(nèi)；Mz :面外）。00. I 0.2 0.3 0.40 0.02 0.04 0, 06 0.08MMM/Mp（a）大寧河大橋（b）朝天門大橋從圖3可以看出，隨著荷載的增加，大寧河大橋主要屈服截面 的面內(nèi)彎矩達(dá)到全截面塑性彎矩（My）的約0. 4倍后形成塑性鉸, 迅速卸載，而面外彎矩在結(jié)構(gòu)達(dá)到極限承載力時(shí)增幅也不大，可見 面外彎矩對(duì)結(jié)構(gòu)的

15、承載能力并沒有起到特別重要的作用。因此盡管有 60m/ s的橫向風(fēng)荷載作用，大寧河大橋在發(fā)生全橋的失穩(wěn)破壞時(shí)， 還是以面內(nèi)對(duì)稱失穩(wěn)為主。而對(duì)于朝天門大橋，由于橫向風(fēng)荷載的作 用，使其在面外產(chǎn)生了較大的變形，隨著荷載的增加，主要屈服截 面的面內(nèi)和面外彎矩都開始大幅提高，在達(dá)到最大值后同時(shí)卸載， 形成雙向塑性鉸?？梢姵扉T大橋的破壞形式是面內(nèi)、面外失穩(wěn)同時(shí) 發(fā)生，以彎扭耦合為主。兩橋破壞形式不同的主要原因在于：大寧河 大橋的拱腳為固接，同時(shí)橫向連接系及拱肋弦桿的面外剛度較大， 面外的梁柱效應(yīng)并不突出,而朝天門大橋的內(nèi).外面剛度相差不大，在 橫向風(fēng)荷載和恒載的作用下，面內(nèi)面外的梁柱效應(yīng)特別顯著，因此

16、發(fā) 生相互耦合的空間失穩(wěn)形式，加劇了結(jié)構(gòu)承載能力的降低。5結(jié)論通過(guò)對(duì)邊界條件、初始狀態(tài)、荷載要素等幾個(gè)影響鋼桁架拱橋極 限承載力的參數(shù)研究，得到以下結(jié)論：拱腳固接有助于提高上承式鋼桁架拱橋的極限承載能力；對(duì)于連續(xù)鋼桁拱梁組合體系，拱腳處一側(cè)鉸接、一側(cè)滑動(dòng)對(duì)提 高極限承載力更有幫助；初始幾何缺陷在規(guī)范允許范圍內(nèi)時(shí)對(duì)鋼桁架拱橋的極限承載能 力影響較小，在設(shè)計(jì)計(jì)算中可以忽略不計(jì)；不對(duì)稱的均布荷載會(huì)使結(jié)構(gòu)的極限承載力下降很多，設(shè)計(jì)計(jì)算 時(shí)應(yīng)加以注意；側(cè)向風(fēng)荷載對(duì)于寬跨比小、橫向剛度較柔的中承式鋼桁架拱橋的 承載力影響不容忽視；(6)溫度荷載對(duì)極限承載力的影響可以忽略。 參考文獻(xiàn)： 1 Robert K Wen, KhaledMedallah. Elastic Stability ofDeck Type ArchBridges J. Journal of The Structural Division, 1987, 113(4): 757- 768. 2 A S Nazmy. Stability and Load Carrying Capacity ofThree Dimensional Long Span Steel Arch Bridges J . Computers &Structures, 1997