發(fā)布時(shí)間：2014-08-06所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：拱肋的失穩(wěn)形態(tài)分為縱向失穩(wěn)(又稱面內(nèi)失穩(wěn))和橫向失穩(wěn)(又稱面外失穩(wěn)或側(cè)傾失穩(wěn))。采用無(wú)支架施工或在拱上建筑完成前就脫架的大跨度拱橋，應(yīng)驗(yàn)算拱的縱向穩(wěn)定性。 關(guān)鍵字：整體吊裝,鋼箱拱肋,穩(wěn)定性,幾何非線性 1 穩(wěn)定理論概述 鋼橋的穩(wěn)定具有與強(qiáng)度同
摘要：拱肋的失穩(wěn)形態(tài)分為縱向失穩(wěn)(又稱面內(nèi)失穩(wěn))和橫向失穩(wěn)(又稱面外失穩(wěn)或側(cè)傾失穩(wěn))。采用無(wú)支架施工或在拱上建筑完成前就脫架的大跨度拱橋，應(yīng)驗(yàn)算拱的縱向穩(wěn)定性。
關(guān)鍵字：整體吊裝,鋼箱拱肋,穩(wěn)定性,幾何非線性
1 穩(wěn)定理論概述
鋼橋的穩(wěn)定具有與強(qiáng)度同等重要的意義，拱橋的拱肋是以受壓為主的壓彎構(gòu)件，當(dāng)拱肋采用鋼結(jié)構(gòu)時(shí)容易發(fā)生整體失穩(wěn)。
按照結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是否發(fā)生質(zhì)變的觀點(diǎn)，一般將穩(wěn)定問(wèn)題分為兩類[1]：
第一類穩(wěn)定問(wèn)題和第二類穩(wěn)定問(wèn)題。實(shí)際工程穩(wěn)定問(wèn)題一般都表現(xiàn)為第二類失穩(wěn)，但因?yàn)榈谝活惙�(wěn)定問(wèn)題是特征值問(wèn)題，求解方便，且在許多情況下兩類問(wèn)題的臨界值相差不大，因此研究第一類問(wèn)題仍有重要意義。
2 拱橋穩(wěn)定理論
考慮到實(shí)際拱橋施工過(guò)程中有可能出現(xiàn)各種問(wèn)題：鋼構(gòu)件焊接殘余應(yīng)力、構(gòu)件安裝偏差、壓力線隨荷載的增加不斷變化、拱軸線的彈性壓縮等，拱結(jié)構(gòu)除了承受較大的軸壓力外還承受了彎矩和扭矩。在非對(duì)稱荷載作用下，拱在發(fā)生豎向變形的同時(shí)也發(fā)生水平變位，隨著荷載的增加，在應(yīng)力較大的區(qū)域出現(xiàn)了塑性變形，結(jié)構(gòu)的變位在變形形式?jīng)]有改變的情況下，荷載繼續(xù)增大，當(dāng)荷載增大到一定數(shù)值時(shí)，即使荷載不再增加，結(jié)構(gòu)的變形也會(huì)迅速增大致使結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。對(duì)于一般的拱橋結(jié)構(gòu)，其受力以面內(nèi)為主，面內(nèi)失穩(wěn)以極值點(diǎn)失穩(wěn)為主;而對(duì)于寬跨比比較小的提籃拱橋結(jié)構(gòu)，既可能發(fā)生面內(nèi)失穩(wěn)又可能發(fā)生面外失穩(wěn)，即側(cè)傾失穩(wěn)，而面外失穩(wěn)以分支點(diǎn)失穩(wěn)為主[15]。
3穩(wěn)定性分析實(shí)例
某拱橋鋼箱拱肋采用整體提升法施工，考慮自重、臨時(shí)拉索張拉力和提升過(guò)程中的橫橋向風(fēng)荷載作用。拱肋和提升支架均受到風(fēng)力作用，拱肋提升拉索為柔性結(jié)構(gòu)，不能承受橫橋向風(fēng)荷載作用，拱肋的風(fēng)荷載通過(guò)提升拉索傳至提升支架上。提升支架為鋼桁架結(jié)構(gòu)，截面尺寸小，風(fēng)壓力小，拱肋截面高，風(fēng)荷載作用不可忽視。因此，有必要對(duì)提升支架和提升段拱肋進(jìn)行穩(wěn)定性分析。提升支架為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，不在施工監(jiān)控的服務(wù)范圍內(nèi)，此處不予計(jì)算分析。采用有限元分析軟件ANSYS10.0對(duì)該拱橋鋼箱拱肋進(jìn)行穩(wěn)定性分析，取拱肋施工過(guò)程中的最不利工況進(jìn)行穩(wěn)定性分析，分析工況如表1所示：
表1 鋼箱拱穩(wěn)定性分析工況表
工況結(jié)構(gòu)荷載邊界支撐
CS1：整體提升拱肋、滑靴、提升支架、臨時(shí)拉索自重、張拉預(yù)應(yīng)力、橫橋向風(fēng)荷載提升點(diǎn)支撐
3.1 線彈形分析結(jié)果
拱肋的失穩(wěn)形態(tài)分為縱向失穩(wěn)(又稱面內(nèi)失穩(wěn))和橫向失穩(wěn)(又稱面外失穩(wěn)或側(cè)傾失穩(wěn))。采用無(wú)支架施工或在拱上建筑完成前就脫架的大跨度拱橋，應(yīng)驗(yàn)算拱的縱向穩(wěn)定性。當(dāng)拱圈寬度小于跨徑的1/20時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算拱的橫向穩(wěn)定性。拱肋穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)>4.5-5，以保證結(jié)構(gòu)的安全[17]。
CS1工況下對(duì)模型進(jìn)行線彈性屈曲分析，分析結(jié)果如下。
3.1.1 不考慮風(fēng)荷載的情況
CS1(整體提升)工況下，僅考慮結(jié)構(gòu)自重和臨時(shí)拉索張拉力時(shí)，拱肋前10階穩(wěn)定安全系數(shù)及相應(yīng)的失穩(wěn)模態(tài)如表2所示。其穩(wěn)定安全系數(shù)為20.57>5，主拱肋整體穩(wěn)定性滿足工程設(shè)計(jì)要求。
表2 前10階穩(wěn)定安全系數(shù)及相應(yīng)失穩(wěn)模態(tài)
屈曲階數(shù)安全系數(shù)失穩(wěn)形態(tài)屈曲階數(shù)安全系數(shù)失穩(wěn)形態(tài)
120.57面內(nèi)對(duì)稱失穩(wěn)675.61面內(nèi)對(duì)稱失穩(wěn)
231.12面內(nèi)對(duì)稱失穩(wěn)7114.35面內(nèi)對(duì)稱失穩(wěn)
352.83面內(nèi)對(duì)稱失穩(wěn)8119.74面內(nèi)對(duì)稱失穩(wěn)
459.20面內(nèi)對(duì)稱失穩(wěn)9131.39面內(nèi)對(duì)稱失穩(wěn)
566.36面內(nèi)對(duì)稱失穩(wěn)10143.03面內(nèi)對(duì)稱失穩(wěn)
3.1.2 考慮風(fēng)荷載的情況
CS1(整體提升)工況下，考慮了結(jié)構(gòu)自重、臨時(shí)拉索張拉力、橫橋向風(fēng)荷載的情況時(shí)，拱肋前10階穩(wěn)定安全系數(shù)及相應(yīng)的失穩(wěn)模態(tài)如表3所示。其穩(wěn)定安全系數(shù)為20.25>5，主拱肋穩(wěn)定性滿足工程設(shè)計(jì)要求。
表3前10階穩(wěn)定安全系數(shù)及相應(yīng)失穩(wěn)模態(tài)
屈曲階數(shù)安全系數(shù)失穩(wěn)形態(tài)屈曲階數(shù)安全系數(shù)失穩(wěn)形態(tài)
120.25面外對(duì)稱失穩(wěn)674.88面外對(duì)稱失穩(wěn)
231.00面外對(duì)稱失穩(wěn)7105.12面外對(duì)稱失穩(wěn)
352.07面外對(duì)稱失穩(wěn)8121.69面外對(duì)稱失穩(wěn)
458.75面外對(duì)稱失穩(wěn)9129.25面外對(duì)稱失穩(wěn)
566.09面外對(duì)稱失穩(wěn)10137.14面外對(duì)稱失穩(wěn)
3.2 非線性極限承載力計(jì)算
當(dāng)結(jié)構(gòu)的位移大到足以使幾何形狀發(fā)生顯著改變時(shí)，必須按變形的位置建立平衡方程，即考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性影響[15]。
為考察幾何非線性效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了考慮了幾何非線性的拱肋極限承載力計(jì)算，結(jié)果如下。
CS1(整體提升)工況下，拱肋穩(wěn)定安全系數(shù)為11.35>5，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。
3.3 對(duì)比分析
表4 拱肋提升穩(wěn)定安全系數(shù)
計(jì)算情況安全系數(shù)失穩(wěn)形態(tài)
自重、拉索張拉力20.57面內(nèi)對(duì)稱失穩(wěn)
自重、拉索張拉力、風(fēng)荷載20.25面外對(duì)稱失穩(wěn)
自重、拉索張拉力、風(fēng)荷載
(考慮幾何非線性)11.35面外對(duì)稱失穩(wěn)
如表4所示，橫橋向風(fēng)荷載對(duì)提升拱的穩(wěn)定系數(shù)影響較小;而幾何非線性對(duì)提升拱的穩(wěn)定系數(shù)影響很大。在主拱提升工況下，臨時(shí)索—拱結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)，進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析時(shí)，其幾何非線性效應(yīng)需要考慮。
4 結(jié)論
本文詳述了橋梁結(jié)構(gòu)的一類穩(wěn)定和二類穩(wěn)定問(wèn)題，介紹了拱橋的兩種失穩(wěn)形態(tài)：面內(nèi)失穩(wěn)和面外失穩(wěn)。采用ANSYS軟件對(duì)該拱橋主拱肋提升過(guò)程中的最不利工況進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，考慮了三種情況，得出結(jié)論如下：
(1)僅考慮恒載(自重)的情況下，拱肋結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定安全系數(shù)為20.57，滿足規(guī)范要求。
(2)考慮了恒載和橫橋向風(fēng)荷載后，拱肋結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定安全系數(shù)為20.25，滿足規(guī)范要求。
(3)考慮了幾何非線性效應(yīng)后，拱肋結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定安全系數(shù)為11.35，滿足規(guī)范要求。
(4)對(duì)比計(jì)算分析可知，拱肋提升過(guò)程中，風(fēng)荷載對(duì)拱肋的一類失穩(wěn)問(wèn)題影響不是很大。
(5)拱肋整體提升施工時(shí)，臨時(shí)索—拱結(jié)構(gòu)為柔性結(jié)構(gòu)，進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)幾何非線性的影響不容忽視。
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