大跨度钢管混凝土拱桥施工阶段非线性稳定分析.pdf

第4O卷第4期西安建筑科技大学学报(自然科学版)Vo1．40No．4
2008年8月J．XianUniv．ofArch．&Tech．(Natura1ScienceEdition)Aug．2008

大跨度钢管混凝土拱桥施工阶段非线性稳定分析

许凯明，张明中，王佶。

(1．同济大学桥梁工程系，上海200092；2．荷兰代尔伏特理工大学土木工程学院，荷兰代尔伏特2600I
3．武汉理工大学设计研究院，湖北武汉430070)

摘要：湖北景阳河大桥为大跨度上承式钢管混凝土拱桥，净跨径为260m，桥面宽9m，宽跨比较小，该桥的
稳定问题是施工控制的关键．本文介绍了钢管混凝土拱桥弹性屈曲、几何非线性和材料非线性的稳定分析方
法，以景阳河大桥为工程背景，基于有限元理论，运用ANSYS建立空间有限元计算模型，进行大跨度钢管混
凝土拱桥施工阶段的弹性屈曲和非线性稳定分析，得到了各个施工工况的稳定系数和失稳模态．研究结果表
明：各施工工况下该桥的稳定系数都大于1O，拱肋整体失稳的可能性很小；几何非线性对该桥稳定性的影响
较小，而材料非线性的影响不容忽视．
关键词：钢管混凝土拱桥；有限元；施工阶段；非线性；稳定
中圈分类号：U448．22文献标识码：A文章编号：1006—7930(2008)04—0556=06

钢管混凝土拱桥是当前我国桥梁建造中的热点，它以钢管混凝土特有的力学性能和技术优势，展示
了强劲的生命力，因而钢管混凝土拱桥近年来得到了很大的发展．自1990年四川旺苍大桥建成至今，我
国已建和在建的钢管混凝土拱桥已达200多座，并不断涌现出许多新的记录[1]．但是，随着跨度的增大，
宽跨比的减小，稳定问题成为制约其发展的主要因素之一[2．尤其是很多情况下，施工阶段的稳定性要
比成桥以后的稳定性差，施工阶段的稳定问题更应该值得关注．目前，我国在这方面的研究还很少，在
此，本文以湖北景阳河大桥为工程背景，运用ANSYS有限元分析软件对该桥钢管管内混凝土灌注阶段
的空间稳定进行分析．

1计算理论

目前的稳定分析有两种类型，一种是基于弹性特征值的屈曲分析；一种是基于非线性理论的稳定分
析．
1．1弹性特征值屈曲分析
弹性特征值屈曲分析是假定结构和材料均是线性的，结构的内力与外荷载比例关系，把结构的稳定
分析转化为求解特征值问题，得出的最小特征值就是失稳临界荷载．在临界荷载下，结构的平衡方程为：
([Ko]+[]){d}一0(1)
式中：[Ko]为弹性刚度矩阵；]为几何刚度矩阵；为荷载稳定系数；{d}为结构的节点位移．
弹性特征值屈曲分析计算简便，概念清楚，但它的理论基础是分支点稳定理论，只能用于理想结构，
不能考虑各种初始缺陷的影响．
1．2几何非线性稳定分析
几何非线性屈曲法假定材料是线性的，考虑结构的梁柱效应及大位移效应，通过增量和迭代相结合
的方法求解失稳临界荷载．考虑几何非线性后，结构的总体平衡方程可写为：
([K0]+[Kd]+[KJJ]){d}一{F(2)

收稿日期：2008—01一10修改稿日期：2008—07—19
基盒项目：湖北省交通厅资助项目(鄂交科教[20043343)
作者简介：许凯明(1976一)，男，浙江富阳人，博士研究生，研究方向为大跨度桥梁结构分析、健康监测．

第4期许凯明等：大跨度钢管混凝土拱桥施工阶段非线性稳定分析557

式中：[Ko]为小位移弹性刚度矩阵；[]为初应力刚度矩阵；[K』J]为初位移矩阵；{}为节点位移；{F}
为等效节点荷载；
1．3材料非线性稳定分析
拱桥的侧向失稳大部分是发生在弹塑性变形范围，按弹性理论计算的拱桥侧倾稳定安全系数就有
可能大大超过实际值．因而需要用弹塑性理论重新计算结构的稳定安全系数，即需要考虑材料非线性．
材料非线性稳定分析主要问题是材料本构关系的选取．
1)钢材的应力应变关系模型：
钢材的应力一应变曲线常由线弹性段、非线性弹性段、塑性段、强化段和二次塑流段组成[3]．本文为
简化计算，将钢材的应力一应变简化为理想弹塑性．具体表达式如下：
rEe(O≤e≤e1)

d—J1fy(3)
+E／15o(e—e2)(e2≤e≤ed)
l(e≥e)
式中：E为钢材弹性阶段的弹性模量。、ee分别为钢材的弹性极限应变、屈服极限应变和强化极限
应变；fy、f分别为钢材的屈服强度和极限强度．
2)核心混凝土的应力应变关系模型：
根据文献[4]建立核心混凝土的应力一应变关系模型．‘
当e≤e0时：d一(3e／eo一(e／e0))(4)
当e≥e0时：．
r(1+q(e／e0)一1))(≥1．12)
1l二(L．12)’

式中：一[1+(-0．o54tO．40(24／fc)If，e。一e+[1400+800(fc／24—1)]‘
e一1300+12．5fc，