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1、第25卷第4期華中科技大學學報(城市科學版)Vo1．25No．42008年l2月J，0fHUST．(UrbanScienceEdition)Dec．2OO8大跨度鋼桁拱橋的極限承載力分析蓋衛(wèi)明，任偉新(中南大學土木建筑學院，湖南長沙410075)摘要：鋼桁拱橋是以承壓為主的結(jié)構(gòu)體系，隨著跨徑的不斷增大，其非線性效應會變得十分突出，因此研究其極限承載力并對其安全性進行準確評估就變得尤為重要。本文以主跨436m的中承式鋼桁拱橋新蕉門大橋為例，運用大型有限元軟件ANSYS詳細分析了該橋的極限承載力，并探討了不同荷載分布方式對其極限承載力的影響。結(jié)果表明以分支點穩(wěn)定理論為基礎的線彈性分析大
2、大高估了橋梁的安全系數(shù)：與幾何非線性分析結(jié)果相比較，材料非線性對此橋極限承載能力的影響較大；不同的荷載分布方式對此橋的極限承載力影響較小。關(guān)鍵詞：鋼桁拱橋；幾何非線性；材料非線性；極限承載力；有限元分析中圖分類號：U441文獻標識碼：A文章編號：1672—7037(2008)04—0328—04拱橋的穩(wěn)定問題一直是人們關(guān)心的問題之缺陷，因此自荷載的開始施加，結(jié)構(gòu)就開始產(chǎn)生一。國內(nèi)外學者對拱橋穩(wěn)定的研究，經(jīng)歷了從線失穩(wěn)方向的位移，這種位移必然對結(jié)構(gòu)的平衡狀性到非線性、從平面到空間、從裸拱到全橋的發(fā)態(tài)產(chǎn)生影響，所以考慮了結(jié)構(gòu)大位移效應后的結(jié)展過程，早期多集中于采用線性方法對簡化橋梁構(gòu)的
3、UL列式增量平衡方程為：模型的分析，如今隨著電子計算機的快速發(fā)展，(){△={zXF}(2)采用非線性有限元法對實際全橋極限承載力進行式中，為引入結(jié)構(gòu)位移的彈性剛度矩陣；為研究已成為一種趨勢uI2】。近年來，我國的拱橋建初應力矩陣，它們都是位移{的函數(shù)。設不斷向大跨度方向發(fā)展，特別是鋼桁拱橋，擬這種僅考慮幾何非線性因素和結(jié)構(gòu)的初始缺將建成的重慶朝天門大橋主跨達到了552m。隨陷的分析，假定材料是無限彈性的，得到的結(jié)構(gòu)失著拱橋跨徑的不斷增大，其非線性穩(wěn)定問題會變穩(wěn)臨界荷載趨近于分支點失穩(wěn)臨界荷載，然而實得尤為突出，所以對其極限承載力進行研究將具際結(jié)構(gòu)在達到此荷載水平前，部分構(gòu)件已達到
4、了有重要意義【3．4J。本文在總結(jié)穩(wěn)定分析方法的基礎它的材料極限強度。當引入了材料的非線性特性上，應用ANSYS詳細分析了一座鋼桁拱橋的極后，結(jié)構(gòu)的UL列式增量平衡方程為：限承載力。，){△={△F}(3)式中，，為考慮了材料非線性應力應變關(guān)系的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定極限承載力彈塑性剛度矩陣，這時，按極值點失穩(wěn)理論求得的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)臨界荷載就是結(jié)構(gòu)的極限承載力，也稱結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)是由于在平衡路徑上出現(xiàn)了奇異壓潰荷載。點，也叫臨界點，包括分支點和極值點兩種I4曲】。分支點失穩(wěn)假定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時處于彈性小變形范2橋例概述及計算模型簡介圍，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與外荷載成比例關(guān)系，達到臨界荷載時，結(jié)構(gòu)的平衡出現(xiàn)了分支，此時結(jié)
5、構(gòu)的平2．1橋例概述衡方程為：新蕉門大橋是廣州南沙開發(fā)區(qū)擬將建設的公+){：0(1)路、城市輕軌兩用跨江特大橋，為連續(xù)鋼桁梁一分支點穩(wěn)定問題為一特征值問題，求解該特鋼桁拱橋。上層為雙向六車道公路橋面，總寬27．8征方程組可得結(jié)構(gòu)臨界荷載為，=in~。II1；下層橋面布置為雙線輕軌加兩側(cè)2．5m寬人分支點失穩(wěn)只適用于理想的結(jié)構(gòu)，實際結(jié)構(gòu)行道。主橋采用(96+164+436+164+96)m的跨度由于制造、安裝等原因不可避免的存在一些初始布置，主跨436ITI，失高98m，矢跨比為l：4．45。收稿日期：2008—07．05作者簡介：蓋衛(wèi)明(1982一)，男，河北河間人，碩士研究生，研
6、究方向為橋梁結(jié)構(gòu)非線性分析，gaiweiming@163．com。第4期蓋衛(wèi)明等：大跨度鋼桁拱橋的極限承載力分析·329·鋼桁拱采用變高度桁架拱，桁高在拱跨中為1lm，時給出了不考慮非線性因素的線性求解結(jié)果以作在拱腳為53m。鋼桁拱拱肋上弦、下弦均采用二比較。次拋物線變化，上弦在拱腳處與邊跨桁梁之間采80用圓曲線過渡接順。作為主要承重結(jié)構(gòu)的兩主桁6O妊片，均是由帶加勁肋的箱型和工字型鋼梁用整體鬟40節(jié)點板組裝栓接而成。2O2．2有限元分析模型本橋利用ANSYS建模分析，按設計圖紙在Ol02O3O各類桿件連接處設置空間節(jié)點10267個，劃分各穆7m類單元6770個。其中桁梁、桁拱、拱
7、肋上下平(a)幾何非線性分析縱聯(lián)、橫聯(lián)、上下層橋面系中的縱橫梁及撐桿采8用空間梁單元模擬(ANSYS中BEAM188單元)；梁拱間的吊索采用空間桿單元模擬(ANSYS中≈6LINK10單元)。按各構(gòu)件的幾何特性不同共定義4蜂了34種梁單元和2種桿單元。圖1為其三維有限2元分析模型。01234位移／m(b)雙重非線性分析圖2拱肋跨中點豎向位移．荷載曲線圖3給出了幾何非線性分析和雙重非線性分析時跨中吊索單元240的軸向應力一荷載關(guān)系曲線，也同時給出了線性結(jié)果以作比較。圖1
