考慮非線性影響的大跨度鋼管混凝土拱橋的靜風(fēng)響應(yīng)分析

楊萬標(biāo)　范存新

摘 要：以巫峽長江大橋為研究背景，分別研究幾何非線性以及幾何和材料雙重非線性對大橋拱肋在靜風(fēng)荷載作用下內(nèi)力與位移響應(yīng)的影響。結(jié)果表明：在靜風(fēng)荷載作用下，幾何非線性和雙重非線性對該橋拱頂?shù)臋M向位移和扭轉(zhuǎn)位移以及拱肋的面外彎矩影響比較顯著，故在進(jìn)行大跨度鋼管混凝土拱橋靜風(fēng)響應(yīng)分析時不可忽略非線性的影響。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土拱橋；幾何非線性；材料非線性；靜風(fēng)響應(yīng)

中圖分類號：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：20150309

Abstract：Taking the Wu Gorge Bridge over Yangtse River as the research background， the effect of geometrical nonlinearity and geometric and material double nonlinear to the internal force and displacement response of the arch rib of the bridge under the action of static wind load were studied. The results showed that： under the static wind load， geometry nonlinear and double nonlinear have an obvious influence on the lateral displacement， the torsion displacement and the out-of-plane bending moment of the arch. The influence of the nonlinearity can not be ignored in the process of long-span concrete-filled steel tube arch bridge static wind response analysis.

Keywords： concrete-filled steel tube arch bridge； geometrical nonlinearity； material nonlinearity； static wind response

大跨度拱橋特別是大跨度鋼管混凝土拱橋，因其施工方便、工期短、外形美觀、承載能力好等一系列優(yōu)點，越來越受到橋梁設(shè)計者的青睞。因此，有必要對大跨度鋼管混凝土拱橋進(jìn)行一系列的分析。文獻(xiàn)[1]通過非線性對巫峽長江大橋地震反應(yīng)影響的分析，表明幾何非線性和材料非線性的影響都是不可忽略的。文獻(xiàn)[2]對風(fēng)荷載作用下某復(fù)合拱結(jié)構(gòu)的幾何非線性分析，結(jié)果表明風(fēng)荷載作用下幾何非線性對結(jié)構(gòu)拱肋截面變化處的內(nèi)力和變形影響較大，不可忽略。文獻(xiàn)[3]通過對風(fēng)荷載作用下大跨鋼管混凝土拱橋反應(yīng)幾何非線性分析表明，風(fēng)荷載作用下幾何非線性對拱肋內(nèi)力和位移影響較大，尤其是拱腳處徑向彎矩和拱頂位移。文獻(xiàn)[4]通過風(fēng)荷載作用下的某鋼管混凝土拱橋非線性穩(wěn)定性分析表明，在風(fēng)荷載作用下同時考慮幾何非線性和材料非線性對鋼管混凝土拱橋的穩(wěn)定性影響很大。文獻(xiàn)[5]也證明了考慮材料非線性后，靜風(fēng)臨界風(fēng)速要比不計入材料非線性的結(jié)果小。文獻(xiàn)[6]通過對巫峽長江大橋的風(fēng)致響應(yīng)分析表明，幾何非線性對大跨鋼管混凝土拱橋的內(nèi)力和變形都有一定的影響。而文獻(xiàn)[6]并沒有考慮材料非線性的影響，上述研究已表明材料非線性對大跨度鋼管混凝土拱橋的影響也是不可忽略的。在文獻(xiàn)[6]研究的基礎(chǔ)上，文章將對跨徑為460m的巫峽長江大橋進(jìn)行靜風(fēng)響應(yīng)進(jìn)行研究，主要是通過增量-迭代方法求解幾何非線性和幾何材料雙重非線性對靜風(fēng)響應(yīng)的內(nèi)力和位移的影響，得出一些有益結(jié)論，對中承式鋼管混凝土拱橋的抗風(fēng)研究和設(shè)計有一定的幫助。

1 大跨度鋼管混凝土拱橋的非線性

1.1 幾何非線性

在正常使用的情況下，大跨度鋼管混凝土拱橋的幾何非線性并不明顯，但在風(fēng)荷載的作用下會表現(xiàn)出非常明顯的幾何非線性[4-5]。研究發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土拱橋的幾何非線性問題屬于大位移小應(yīng)變問題[1]。歸納來說，大跨度鋼管混凝土拱橋的幾何非線性主要來自以下的兩個方面：大變形效應(yīng)和軸力與彎矩組合引起的梁-柱效應(yīng)。在ANSYS中通過大變形效應(yīng)來考慮幾何非線性的影響。

4 結(jié)束語

通過對大跨度鋼管混凝土拱橋在靜風(fēng)荷載作用下，非線性對大跨度鋼管混凝土拱橋的內(nèi)力和位移響應(yīng)影響的分析，可以得出以下幾點結(jié)論：（1）靜風(fēng)荷載作用下，巫峽長江大橋的最大的橫向位移、豎向位移、扭轉(zhuǎn)位移均發(fā)生在拱頂，因而在橫向水平風(fēng)荷載作用下拱頂部位需加強設(shè)計。（2）靜風(fēng)荷載作用下，巫峽長江大橋最大的軸力和面內(nèi)彎矩發(fā)生在背風(fēng)側(cè)拱肋下弦桿拱腳處，最大面外彎矩在背風(fēng)側(cè)拱肋上弦桿拱腳處。（3）從靜風(fēng)荷載作用下拱肋關(guān)鍵截面內(nèi)力的非線性系數(shù)分析可以得到，無論是考慮幾何非線性還是考慮幾何材料雙重非線性，兩者對拱肋軸力影響并不很明顯，其值約為1%-3%，可以忽略；對面內(nèi)彎矩的影響的最大值約為16%；然而對面外彎矩的影響就非常明顯了，就背風(fēng)側(cè)上弦桿而言就已經(jīng)達(dá)到43%，故該向的非線性影響不可忽略。（4）靜風(fēng)荷載作用下，非線性對巫峽長江大橋豎向位移的影響并不是很明顯。但考慮幾何非線性和幾何材料雙重非線性后，結(jié)構(gòu)的橫向位移和扭轉(zhuǎn)位移呈現(xiàn)增大趨勢，尤其是考慮幾何材料雙重非線性影響后，結(jié)構(gòu)橫向位移和扭轉(zhuǎn)位移的值要超過僅考慮幾何非線性的情況。故在進(jìn)行大跨度鋼管混凝土拱橋靜風(fēng)響應(yīng)分析時不可忽略非線性的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]李少沖.考慮豎向地震動和非線性的大跨度鋼管混凝土拱橋地震反應(yīng)分析[D].蘇州：蘇州科技學(xué)院碩士學(xué)位論文，2009.

[2]趙運革，李靜，雷宏剛.風(fēng)荷載作用下復(fù)合拱結(jié)構(gòu)的幾何非線性分析[A].建設(shè)工程安全理論與應(yīng)用-首屆中國中西部地區(qū)土木建筑學(xué)術(shù)年會論文集[C].鄭州，2011：493-496.

[3]張建民，寇素霞.風(fēng)荷載作用下鋼管混凝土拱橋反應(yīng)幾何非線性有限元分析[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，33（5）：120-122.

[4]盛可鑒.風(fēng)荷載作用下的鋼管混凝土拱橋非線性穩(wěn)定性分析[J].森林工程，2006，22（2）：53-54.

[5]肖汝成，賈麗君，程進(jìn)，等.靜風(fēng)荷載引起的超大跨度橋梁關(guān)鍵問題研究[J].公路交通科技，2001，18（6）：34-38.

[6]馮玉珍.大跨度鋼管混凝土拱橋風(fēng)致響應(yīng)分析[D].蘇州：蘇州科技學(xué)院碩士學(xué)位論文，2009.

[7]張秀輝，胡仁喜，康士廷.ANSYS14.0有限元分析從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[8]韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

[9]中交公路規(guī)劃設(shè)計院.JTG/T D60-01-2004.公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范[S].行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-交（CSIC-JT），2004.

[10]項海帆，林志興.公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計指南[M].北京：人民交通出版社，1996.

[11]羅雄.利用短期實際風(fēng)速記錄模擬極值風(fēng)速及橋梁時域抖振分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2002.

作者簡介：楊萬標(biāo) （1989-），男，江蘇鹽城人，碩士研究生。

*通訊作者：范存新（1968-），男，教授，博士，從事結(jié)構(gòu)抗風(fēng)、抗震研究。