初应力对大跨度钢管混凝土拱桥极限承载力的影响.pdf
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1、第 7卷第 4期 2 0 1 0年 8月 铁道科学与工程学报 J OURN AL OF R AI L WAY SCI E NCE AND E NGI NEERI NG V 0 1 7 N 0 4 Au g 2 0 1 0 初应力对大跨度钢管混凝土拱桥极 限承载力的影响 杨孟刚。 曹志光 ( 中南大学 土木建筑学院, 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ) 摘要: 针对钢管混凝土拱桥施工中存在钢管初应力的现状, 采用大型有限元软件 A N S Y S对某主跨3 6 8 m的钢管混凝土拱 桥进行了施工过程模拟仿真, 在考虑双重非线性和一致几何缺陷后, 得到了无初应力与有初应力的极限承栽力稳定系数。
2、 研 究结果表 明, 钢 管混凝土拱桥 的钢管初 应力度较 大, 且混凝土收缩徐 变引起 的初应 力不容忽视 ; 初 应力不仅对 大跨 度钢 管混凝土拱桥的面内极限承栽力有一定的影响, 而且对于面外极限承载力有着不可忽略的影响。 关键词 : 钢管混凝土 ; 初应力 ; 极限承载力; 几何缺 陷; 非线性 中图分类号: U 4 4 8 2 2 5 文献标志码: A 文章编号: 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 0 0 6 0 5 I n f l u e n c e o f i n i t i a l s t r e s s o n t h e u l t i m
3、a t e b e a r i n g c a p a c i t y o f l o n g s p a n CF ST a r c h b r i d g e s YANG Me n g g a ng,CAO Zh i g u a n g ( S c h o o l o f C i v i l a n d A r c h i t e c t u r e E n g i n e e r i n g ,C e n t r a l S o u t h U n iv e r s i t y , C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5 ,C h i n a ) Ab s t r a
4、c t : I n i t i a l s t r e s s o f s t e e l t u be a l wa y s e x i s t s d u rin g t h e c o n s t r u c t i o n o f t h e CF S T a r c h brid g e I n t h i s a r t i c l e, c o n s t r u c t i o n p r o c e s s o f t h e CFS T a r c h b r i d g e wi t h a ma i n s p a n o f 3 68 m wa s s i mu l
5、a t e d by t h e fin i t e e l e me n t s o ft - wa r e ANS YS,f u r t h e r mo r e t h e c o e f fic i e nt o f u l t i ma t e b e a rin g c a p a c i t y wa s c a l c u l a t e d b y t a k i n g i n t o a c c o u n t b o t h t he d o u b l e n o nl i n e a r i t y a nd g e o me t ric d e f e c t T
6、h e r e s u l t s s h o w t h a t s t e e l t u b e o f t h e CFS T a r c h b rid g e h a s a l a r g e r d e g r e e o f i n i t i a l s t r e s s ,a n d t h e i n i t i a l s t r e s s c a u s e d b y t h e s h r i n k a g e a n d t h e c r e e p o f t h e c o n c r e t e c a n n o t b e i g n o r
7、 e d I n i t i a l s t r e s s n o t o n l y h a s s o me i n f l u e n c e o n t h e i np l a ne u l t i ma t e s t r e n g t h o f t h e l o n gs p a n CFS T a r c h b rid g eb u t als o ha s t h e i n flu e n c e t h a t c a n n o t b e n e g l e c t e d o n t h e o u t一0 fp l a n e u l t i ma t
8、e b e a r i n g c a p a c i t y Ke y wo r d s: CF S T;i n i t i a l s t r e s s;b e a tin g c a p a c i t y;g e o me t ric d e f e c t ;n o n l i n e a r i t y 钢管混凝土拱桥的施工方法一般采用先架设 空钢管成拱 , 再浇注钢管内混凝土, 最后施工拱上 建筑成桥 ; 在此过程 中, 空钢管要承受 自重及未成 形 的混凝土重量及其湿 重, 待混凝土达到强度 以 后 , 两者才能形成组合统一体, 在其施工过程中不 可避免产生初应力 。此外 ,
9、 混凝土收缩徐变也会使 得钢管产生初应力, 在复杂受力状态下 , 同一截面 处的初应力并不一致 , 其梯度与偏心率有关 , 偏心 率越大, 上下截面应力也相差越大, 甚至两者方 向 相反。钢管初应力 的产生会对其极限承载力产生 影响, 尤其是大跨度钢管混凝土拱桥。 对于钢管混凝土拱桥的极限承载力的研究 , 国 内外很多学者做 了大量工作_ 】 。但在钢管初应 力对钢管混凝土拱桥的极限承载力影响方面的研 究较少, 陈宝春等_ 1 给出了钢管混凝土偏压构件 承载力的初应力度影响系数的简化计算公式 , 其适 应范围为单肢圆管 的柱构件 ; 周水兴等 分析 了 初应力对哑铃型钢管混凝土拱桥承载力的影响
10、, 结 果表明当以承载力下降不超过 1 0 为界限时, 哑 铃型钢管混凝土拱桥初应力度应控制在 0 6以内; 赵跃宇等 采用 自编程序研究 了初应力对钢管混 凝土拱桥面内极限承载力的影响。但周水兴等 J 收稿日期 : 2 0 1 0 0 32 7 基金项 目: 国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 9 0 8 2 3 1 ) 作者简介 : 杨孟刚( 1 9 7 6一) , 男 , 江西安义人 , 博士, 副教授 , 从事桥梁抗震及非线性分析研究 第4期 杨孟刚, 等: 初应力对大跨度钢管混凝土拱桥极限承载力的影响 7 所做的研究都是以初应力沿截面布置为前提 , 所编 程序仅计算面内极限承载力
11、的影响, 而多数混凝土 拱桥在面外失稳。本文作者 以某跨径 为 3 6 8 1 T I 的 钢管混土拱桥为工程背景 , 运用大型通用有限元软 件 A N S Y S详细研究 了初应力对其面内外极限承载 力的影 响 1 工程背景及有限元模型 本文作者以某主跨为 3 6 8 m的中承式钢管混凝 土系杆拱桥为研究对象 , 总体布置如图 1所示。主 拱肋线形为悬链线 , 计算矢高f= 7 1 2 m, 矢跨 比为 1 5 , 拱轴系数 m:1 5 4 3 , 主拱由 2片四弦管桁架式 拱肋构成 , 其主拱截面宽3 2 m, 高度为变高度截面 , 拱脚截面高度为 8 m, 拱顶截面高度为 4 m。每片主
12、 拱肋由4根外径为 1 0 0 0 m i l l 的钢管用平连板或平 连杆相连 , 弦杆壁厚有 2 8 , 2 2 , 1 8 m m 3种 , 靠近拱脚 段的弦杆壁厚采用 2 8 mm, 跨 中段弦杆壁厚 为 1 8 m m, 其它处弦杆壁厚为 2 2 m m; 吊杆及立柱 问距均 为 8 m, 吊杆采用 6 1 ( b 7的高强平行钢丝束 , 立柱采 用 4 , 8 0 0的钢管混凝土柱 , 吊杆下及立柱上设横梁; 系杆由2 2束 3 1 4 1 5 2 4钢铰线组成 ; 全桥钢管材料 为 Q 3 4 5 C , 内灌混凝土等级为 C 5 0 。 W ( a ) 立面布置 图; ( b
13、) 主拱 截面 图 1 桥 梁总体布置 图( 单位 : m) F i g 1 T h e g e n e r a l l a y o u t o f t h e b r i d g e( u n i t :m) 采用大型有限元软件 A N S Y S建立空间有限元 模型, 如图 2所示 。全桥共划分为 3 2 0 0个节点 , 5 8 8 7个单元 , 其 中主拱肋 、 平连杆 、 腹杆 、 横 梁 、 纵 梁、 缀杆 、 肋问横撑直杆等采用 b e a m1 8 8梁单元模 拟 , 打开翘曲 自由度 , 并且所有钢管混凝土构件采 用双单元 , 同一段单元 中钢管与混凝土节点坐标完 全相 同;
14、 立 柱 采用 l i n k 8杆 单元 模 拟 , 吊索 采 用 l i n k 0杆单元模拟 , 桥 面板采用 s h e l l 4 3壳单元模 拟。纵横梁连接模拟为固结 , 采用 自由度耦合来模 拟横梁和吊杆 、 立柱的铰接 , 主拱基础采用固结 , 考 虑系杆刚度对全桥刚度 的贡献很小, 用加载端横梁 上的不同集中力来模拟不 同施工阶段 的系杆张拉 力。全桥主要施工阶段划分见表 1 。 图 2 A N S Y S空间有限元模型 Fi g 2 ANS YS 3一D f i ni t e e l e me n t mo de l 表 1 施 工阶段 划分 Ta bl e 1 Di v
15、i s i o n o f t h e c o n s t r u c t i o n s t a g e s 工况号 施 工项 目 浇筑边跨立柱及其横梁 主拱空钢管的吊装及其扣索安装 主拱空钢管合拢 封固拱桥成无饺拱 放松扣索 安装吊杆及其吊杆下的横梁 系杆安装并第一次张拉至 2 6 4 0 0 k N 浇筑下弦杆内侧钢管 内混凝土 第二次张拉系杆至 3 4 8 0 0 k N 浇筑下弦杆外侧钢管 内混凝土 第 三次张拉系杆至 4 3 2 0 0 k N 浇筑上弦杆外 侧钢管 内混凝土 第 四次张拉系杆至 5 1 6 0 0 k N 浇筑 上弦杆内侧钢管 内混凝土 第五次张拉 系杆至 5 8
16、 8 0 0 k N 吊装一半桥面板后第六次张拉 系杆至 6 4 8 0 0 k N 吊装全部桥面板后第七 次张拉系杆至 7 4 4 0 0 k N 浇筑桥面钢纤混凝土 桥面沥青铺装 第八次张拉系杆至 8 3 6 0 0 k N A N S Y S有限元模型 中, 钢材本构关系采用 四 折线的简化模型 , 如图 3所示 , 其中 , 与 分别为弹性 、 屈 曲以及强化极 限应变 与 分别 图 3钢材本构关 系图 Fi g 3 Co ns t i t u t i v e r e l a t i o n o f s t e e l 2 3 4 5 6 7 8 9 m H 他 加 8 铁 道 科 学
17、 与 工 程 学 报 2 0 1 0年 8月 为屈服与极限抗拉强度。 图4管内混凝土本构关系图 Fi g 4 Co n s t i t u t i v e r e l a t i o n o f c o nc r e t e i n p i p e 钢管内混凝土采用考虑套箍作用的核心混凝 土本构关系_ l , 如图 4所示 , 本构模 型表达式如 下 : or c 。【 ( ) 一 ( ) , c 。 1 0 l 【 = 。 ( 1 一 g ) + 。 g 。 ( E c ) , ( 占 。 ) ( 1 ) 式 中: o r 。, 占 。, q, A和 B均为钢管混凝土套箍系 数 的函数。 钢
18、管内混凝土浇筑 阶段及混凝土未达到设计 强度前, 混凝土及其湿重由钢管承担, 但后续管内 混凝土的灌注时 , 先前灌注的混凝土已与钢管形成 钢管混凝土组合截面 , 本文作者利用 A N S Y S中的 生死单元技术n 对施工过程进行仿真分析。收缩 徐变也会产生初应力 , 对于混凝土收缩, 可以使用 降温法模拟 ; 而对于徐变 , 可以利用 A N S Y S中的金 属蠕变功能 , 拟合混凝土的徐变曲线来计算。 2 初应力及极限承载力分析 2 1 初应力分析 按表 1划分 的施工阶段对全桥的施工过程进 行仿真模拟 , 此时不计入混凝土的收缩徐变, 利用 A N S Y S计算得到各钢管灌注混凝土
19、后 ( 其对应 的 施工工况号 已在表 中标 出) 的最大初应力值见表 2 。截面的最大初应力均发生在拱脚处 , 其中钢管 初应力最大值为 1 2 0 MP a , 发生在下弦 内侧钢管拱 脚处; 而计人混凝土收缩徐变后的钢管应力比未计 入混凝土收缩徐变的施工模拟分析 的钢管应力有 不同程度增大, 其截面应力增大最多的位置为主拱 跨 中, 各钢管由收缩徐变引起的最大初应力值见表 3 , 从表中看出收缩徐变所产生初应力也不容忽视。 表 2 施工过程 引 一 的钢管最大初应力 Ta bl e 2 T he ma xi mum i ni t i a l s t r e s s o f s t e e
20、 l s i n c o n s t r u c t i o n p r o c e s s 表 3 收缩徐变引起的钢管最大初应力 Ta bl e 3 Th e ma x i mum i ni t i a l s t r e s s o f s t e e l s c a u s e d b y s hr i n k - a g e a n d c r e e p 2 2弹性稳 定分析 对计人初应力与未计人初应力分别进行 了弹 性稳定分析, 分别得到 自重作用下的一阶弹性屈曲 如图 5所示。从屈曲求解中的图中可以看到未计 入初应力后一阶弹性稳定系数为 6 5 , 而计人初应 力后 的一阶弹性稳
21、定系数为 6 3 , 其稳定系数变化 不大 , 考虑初应力与不考虑初应力, 整个结构 的起 始弹性刚度改变不大 , 考虑初应力只是相当钢管多 计人了预应力效应。 STEP=l g t IB ( a ) FRE0=6 5S ( a ) 无初应力 ; ( b ) 有初应力 图 5一 阶 弹性 屈 曲 Fi g 5 Th e f i r s t e l a s t i c bu c k l i n g s ha pe 2 3 极 限承载力分 析 对于计算工况的选取 , 这里只进行了成桥运营 状态下的极限承载力分析, 其施工仿真模拟可以参 照表 1 顺序完成 , 对于面内和面外极限稳定分析所 第 4期
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