对钢管混凝土拱桥受力分析及性能探讨
摘要:钢管混凝土拱桥设计是常见而又复杂的实际问题，针对钢管混凝土受力性能及抗震横向对提高拱肋的横向稳固性起到了极大的作用, 一同避开了拱顶段管内混凝土不密实的问题.本文笔者以下进行了分析。
关键词:钢管混凝土;拱桥设计；抗震；分析
1 有限元模型简介
某大桥的受力分析采用大型通用程序A N-SYS 进行计算.建模时, 拱肋、桥面纵梁、横梁采用空间梁单元, 其中钢管混凝土拱肋段采用双单元法建模, 即在模型离散时, 在同一段有限元模型中将钢管和混凝土分别作为两根杆件输人, 但同时保证二者的节点坐标完全相同, 在相同的节点间建立两个单元, 一个单元赋予钢管的材料属性, 另一个单元则赋予混凝土的材料属性, 这样两种材料的应力—应变关系可以得以输人[4]; 系杆与吊杆采用拉杆单元, 桥面系采用梁格法模拟. 桩基的计算模型是用弹簧支承来模拟地基的水平抗力, 用m 法进行计算.全桥共374 个
节点,4 2 个梁单元, 有限元模型见图1
图1 某大桥有限元模型
2 横向一类稳定计算
某桥成桥后进行了静动载测试本文在进行横向稳定计算时, 以静载测试的四个工况为模型的荷载, 计算某大桥在各个工况下的一类稳定系数(特征值)
静载试验共进行了4 个工况: 工况一为按口4 点弯矩最大; 工况二为拱脚负弯矩最大江况三为拱顶正弯矩最大; 工况四为拱脚推力最大布载。
分析时以管内混凝土填充长度系数α为参数(参数a 含义见图3).0 < a < 0.5 时为复合拱; 当a= O 时为钢管拱; 当a = 0.5 时, 为钢管混凝土拱.计算中不考虑材料的非线性计算结果见图2.
图2稳定系数变化趋势图
对该桥的弹性一类稳定分析表明, 在各种加载工况下, 一阶弹性失稳模态不受混凝土充填系
数a的影响, 均为面外失稳，但α对稳定系数有影响.当a 从0 变化至1/ 12 时, 稳定系数缓慢增长, 最大仅增加4.8% ; 此后, 稳定系数增加较快,当a 趋近L/4 时, 稳定系数均达最大值(除工况三) ; 此后随a 增加稳定系数反而下降, 在α=0.4 17 时达到最低点后又开始上升, 到a =0.5(钢管混凝土拱)时稳定系数达到第二个峰值.因此, 从弹性一类稳定系数来看, 坡充系数太小(小于1/ 1 2) 时管内混凝土对稳定系数提高的作用较小, α在0.25 附近时, 效率最高; 超过0.25 时反而降低了拱的稳定性能, 这可能是此时刚度增加的有利作用小于拱肋自重产生的不利影响. 当然,钢管混凝土拱的稳定系数最大, 但从复合拱的角度而言, 钢管与钢管混凝土在拱肋L/4 处相接, 结构一类弹性稳定性最好。
3 横向地震响应分析
3 . 1 计算方法
反应谱法是目前桥梁结构抗展设计中广泛使用的方法. 计算中考虑前100 阶频率的影响, 振型组合方法采用SRS 法(平方和开平方法), 按计算结构重要性修正系数取17, 综合影响系数取035, 水平地震系数取0.1, 竖向地展系数取水平地震系数的一半为0.05, 阻尼比取0.05.动力放大系数β值根据结构计算方向的自振周期或基本周期和场地土类别确定.地展作用由横
桥向输人.
3.2 横向地展响应计算结果
某大桥在承受横桥向地震荷载作用时, 随着管内混凝土填充长度的变化, 其拱肋内力分布规律如图所示. 其中, 拱肋所受的轴力较均匀; 而对拱肋弯矩而言, 其面外弯矩占主导地位,面内弯矩则较次要; 其中面外弯矩拱脚处最大, 在横撑处有突变, 而面内弯矩则在拱顶处最大.图4 ～6分别为横向地展作用下拱顶、L/ 4、拱脚截面内力随拱肋填充长度的变化趋势图。
图4 横桥向地震作用时拱脚截面内力变化图
图5 横桥向地震作用时四分点截面内力变化图
图6 横桥向地展作用日创洪顶截面内力州七图
从图4～6 可知, 当拱桥承受沿横桥向地展荷载时, 拱肋各截面轴力相差不大, 其承载力是由拱脚处的面外弯矩控制.拱脚处的面外弯矩随管内混凝土填充长度的减少而降低, 在混凝土填充到四分点之前, 这种面外弯矩的变化较明显, 降低幅度达麟.2 % ; 而当填充长度在四分
点与拱顶之间变化时,则面外弯矩的变化较小, 仅为7.1% ; 但同时四分点处面内、外弯矩降低17.4 % 与25.7% , 拱顶处面内、外弯矩降低69.8% 和118.4%.再从各截面轴力的变化规律来看, 在管内混凝土填充长度达到四分点时,其截面的轴力都接近于最低水平.
综合以上分析可以看出, 当拱桥承受横向地震荷载时, 与钢管混凝土拱相比, 复合拱管内混凝土填充至四分点能较好地减小各截面的轴力水平, 同时也能有效地减小拱肋各截面处的面内、外弯矩水平。
4 结语
（l） 复合拱桥的弹性一类稳定分析结果表明, 填充长度的变化不会改变拱的失稳模态, 而管内混凝土填充至四分点时, 稳定系数较大, 效率最高。
当拱桥承受横向地震荷载时, 与钢管混凝土拱相比, 复合拱管内混凝土填充至四分点能较好地减小各截面的轴力水平, 同时也能有效地减小拱肋各截面处的面内、外弯矩水平.从以上复合拱桥横向受力性能的分析可以看出, 与钢管混凝土拱桥相比, 钢管一钢管混凝土复合拱桥这种新桥型的拱肋自重较小、重心较低, 当复合拱管内混凝土填充至四分点时, 其稳定系
数较大, 效率最高, 同时对降低横向地展荷载作用下截面的内力反应水平效果最好, 因此, 建议在进行复合拱桥的设计时, 管内混凝土应填充至四分点处。
参考文献
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[2]孙潮, 陈宝春.钢管一钢管混凝土复合拱桥动力特性分析[ J]..地震工程与工程振动, 20 1 (2 ) :48 一52.
[3]韦建刚、陈友杰、陈宝春, 钢管一钢管混凝土复合拱桥实桥静载测试与分析〔J〕. 中南公路工程
[4]韦建刚, 陈宝春, 钢管混凝土拱桥材料非线性有限元分析方法[ J].. 福州大学学报, 32 (3 ),2004，6:344-348 .
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
