基于時(shí)變和動(dòng)力耦合作用的鋼管混凝土拱橋受力性能研究

汪繼文 葉惠忠 潘興虎 周愉濤 盧彭真

摘要：為了解時(shí)變和動(dòng)力效應(yīng)耦合作用下的鋼管混凝土拱橋的受力性能，文章以跨徑布置為（30+80+30）m的某鋼管混凝土拱橋?yàn)橐劳泄こ?，采用?shù)值積分和有限元方法，建立較為精確的空間有限元模型，系統(tǒng)地研究大跨度鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)在動(dòng)力和時(shí)間效應(yīng)耦合作用下的受力性能。分析結(jié)果表明：在收縮徐變和動(dòng)力效應(yīng)的耦合作用下，鋼管混凝土拱橋的受力更為復(fù)雜，其內(nèi)力值較未考慮耦合作用的情況大，且放大效應(yīng)較明顯，因此在鋼管混凝土拱橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驗(yàn)算中應(yīng)充分考慮時(shí)變和動(dòng)力效應(yīng)的耦合作用。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土拱橋;有限元分析;時(shí)間效應(yīng);動(dòng)力效應(yīng);受力性能

0 引言

鋼管混凝土拱橋具有施工快、承載力好、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)[1]。近些年來(lái)，不少學(xué)者對(duì)大跨度鋼管混凝土拱橋的時(shí)間效應(yīng)及動(dòng)力效應(yīng)展開(kāi)了較為深入的研究;王元豐[2-3]和泮以龍[4]等分別對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件和鋼管混凝土拱橋的徐變進(jìn)行了研究;王少欽等[5]對(duì)移動(dòng)車(chē)輛作用下橋梁的動(dòng)力反應(yīng)進(jìn)行研究;李清海等[6]研究了在車(chē)輛荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)力響應(yīng)問(wèn)題?，F(xiàn)有研究成果中多是將收縮徐變和動(dòng)力效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)承載力影響分開(kāi)考慮，并研究各自的處理方法，而忽略了對(duì)時(shí)變和動(dòng)力效應(yīng)耦合作用下的受力性能的研究。然而由于鋼管混凝土拱橋在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中會(huì)受到鋼管混凝土的收縮徐變和車(chē)輛移動(dòng)荷載的同時(shí)作用，這二者之間是否會(huì)發(fā)生耦合效應(yīng)，甚至加速拱橋劣化，尚處于研究的空白區(qū)域。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文依托永寧江2號(hào)大橋工程，通過(guò)對(duì)比分析選擇較為合適的收縮徐變預(yù)測(cè)模型，并以此建立ANSYS全橋模型，模擬分析該橋十年以?xún)?nèi)的混凝土收縮徐變下的位移，并分別對(duì)其核心混凝土和鋼管應(yīng)力變化進(jìn)行了研究。

1 工程概況及有限元模型的建立

永寧江2號(hào)大橋?yàn)轱w鳥(niǎo)式鋼管混凝土拱，橋跨徑布置為（30+80+30）m，全寬64.6 m;80 m中跨采用中承式鋼管混凝土拱肋，拱軸線(xiàn)采用二次拋物線(xiàn)線(xiàn)形;拱橋矢高為20 m，矢跨比為1/4，凈跨徑為74.75 m;拱肋截面呈寬啞鈴形，其中鋼管和平聯(lián)壁厚為24 mm，鋼管內(nèi)部填充C50微膨脹混凝土。[=XQS（]基于時(shí)變和動(dòng)力耦合作用的鋼管混凝土拱橋受力性能研究/汪繼文，葉惠忠，潘興虎，周愉濤，盧彭真[=JP2] 本文采用ANSYS15.0軟件建立了鋼管混凝土拱橋的有限元模型，對(duì)其拱肋核心混凝土進(jìn)行了成橋十年內(nèi)的收縮徐變效應(yīng)模擬計(jì)算。借鑒以往鋼管混凝土拱橋有限元建模方法[1，7]，本研究采用Beam188空間梁?jiǎn)卧M主拱肋鋼管及混凝土、橫梁、縱梁、風(fēng)撐、立柱等結(jié)構(gòu)，采用link8單元模擬拱橋的系桿和吊桿之間的聯(lián)系，而立柱和橫梁之間的聯(lián)系則采用combine14模擬。鋼管和混凝土單元均采用共節(jié)點(diǎn)的形式建立。其中鋼管和核心混凝土的彈性模量分別采用實(shí)際的材料特性，保證截面應(yīng)力非平均化，以真實(shí)反映截面的實(shí)際受力狀態(tài)。全橋模型如圖1所示。

式中：徐變應(yīng)力為σc（t）=σ（t）-σc（τ0），E′（t，τ0）為按齡期調(diào)整的有效模量;E′（t，τ0）=E（τ0）[1+χ（t，τ0）φ（t，τ0）]，χ（t，τ0）為老化系數(shù)，建議取0.8。

為準(zhǔn)確模擬鋼管混凝土的收縮徐變，根據(jù)該拱橋所在地的全年氣候條件信息，在融合上述收縮徐變公式的精細(xì)化模型中，設(shè)置該鋼管混凝土拱橋全年平均濕度RH=80%，年平均氣溫為17 ℃，最高氣溫和最低氣溫分別為40 ℃和-7 ℃。

本文著重分析汽車(chē)過(guò)橋時(shí)橋面及拱肋的豎向位移、彎矩及軸力的時(shí)程反應(yīng)。分別計(jì)算汽車(chē)以3.6 km/h、18 km/h、36 km/h、72 km/h的速度通過(guò)橋面時(shí)橋梁的豎向動(dòng)力響應(yīng)，并且考慮收縮徐變的影響。當(dāng)移動(dòng)荷載速度v=3.6 km/h時(shí)，基本不會(huì)引起橋面的振動(dòng)，可近似視為橋面承受靜載作用。

考慮到動(dòng)力效應(yīng)下結(jié)構(gòu)的動(dòng)彈性模量與靜彈性模量的不一致性，參考文獻(xiàn)[9]中的研究，在建模中考慮鋼管內(nèi)填混凝土的動(dòng)彈性模量為靜彈性模量的1.14倍。然而這只是根據(jù)先驗(yàn)理論的一種估計(jì)，有關(guān)動(dòng)力與時(shí)間效應(yīng)耦合作用下動(dòng)彈性模量與靜彈性模量之間關(guān)系的研究仍需進(jìn)一步開(kāi)展。

3 控制截面變形

在不同速度和收縮徐變下拱頂位移峰值和跨中位移峰值如表1所示。

由表1可知，隨速度的增大，位移變化規(guī)律比較復(fù)雜：拱頂位移先增大后減小，而跨中位移則持續(xù)增大，且在速度為72 km/h時(shí)達(dá)到峰值;同時(shí)，隨收縮徐變時(shí)間的增長(zhǎng)，位移均逐漸增大?？梢?jiàn)動(dòng)力作用會(huì)對(duì)位移產(chǎn)生一定的放大效應(yīng)。4 控制截面內(nèi)力

為研究時(shí)變和動(dòng)力效應(yīng)耦合作用對(duì)鋼管混凝土拱橋受力性能的影響，本文計(jì)算了不同速度及收縮徐變下的拱橋內(nèi)力值，如圖2、圖3所示。

由圖2～3可知，隨速度的增大，內(nèi)力均較靜載作用下的內(nèi)力值大;隨收縮徐變時(shí)間的增長(zhǎng)，鋼管內(nèi)力增大，混凝土除拱頂彎矩外均減小。隨速度的增大，動(dòng)力和徐變耦合作用對(duì)內(nèi)力會(huì)產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)移動(dòng)荷載速度逐漸增大時(shí)，拱肋的動(dòng)力效應(yīng)基本呈現(xiàn)放大的趨勢(shì)。

內(nèi)外側(cè)吊桿N2軸力峰值如表2所示。

由表2可知，隨速度的增大，內(nèi)側(cè)吊桿N2內(nèi)力增大，外側(cè)吊桿內(nèi)力則先增大后減小，但均比靜載下的內(nèi)力大，增長(zhǎng)幅度峰值達(dá)7.8%，對(duì)內(nèi)力的放大效應(yīng)較顯著。隨收縮徐變時(shí)間的增長(zhǎng)，吊桿內(nèi)力變化比較復(fù)雜，但總體而言其對(duì)吊桿內(nèi)力的影響較小。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究建立了永寧江2號(hào)大橋的有限元模型，分析該橋十年內(nèi)的混凝土收縮徐變下的位移，及其核心混凝土和鋼管應(yīng)力變化，得出了如下結(jié)論。

（1）隨著速度的增大，鋼管混凝土拱橋的位移、內(nèi)力變化規(guī)律較復(fù)雜，但均較靜載下的位移、內(nèi)力要大。其中拱頂位移先增大后減小，跨中位移則持續(xù)增大，且在速度為72 km/h時(shí)達(dá)到峰值;內(nèi)側(cè)吊桿N2內(nèi)力增大，外側(cè)吊桿內(nèi)力先增大后減小，但均較靜載作用下的內(nèi)力大，增長(zhǎng)幅度最高可達(dá)7.8%，對(duì)內(nèi)力的放大效應(yīng)顯著。

（2）隨著收縮徐變時(shí)間的增長(zhǎng)，鋼管和混凝土位移均增大;同時(shí)，鋼管內(nèi)力增大，而混凝土除了拱頂彎矩外均減小;拱橋的吊桿內(nèi)力變化較復(fù)雜，但就分析結(jié)果而言，收縮徐變對(duì)吊桿的內(nèi)力影響較小。

（3）收縮徐變和動(dòng)力耦合作用會(huì)對(duì)拱肋位移和內(nèi)力產(chǎn)生一定的影響，隨著速度的增大這種增幅效果將會(huì)越明顯。在鋼管混凝土拱橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驗(yàn)算中應(yīng)充分考慮行駛車(chē)輛的車(chē)速問(wèn)題，在必要時(shí)應(yīng)予以限速。

（4）未來(lái)的工作仍需圍繞以下兩部分開(kāi)展：①根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立動(dòng)力與時(shí)間效應(yīng)耦合作用下動(dòng)彈性模量與靜彈性模量之間的新型關(guān)系模型;②實(shí)驗(yàn)和模擬分析結(jié)合，確認(rèn)行車(chē)因素（荷重、累計(jì)作用次數(shù)、幅值、組合材料面積）對(duì)收縮徐變的影響。

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