第３８卷第３期 ２０１２年９月 湖南交通科技 Ｖｏ１．３８ Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．２０１２ ＨＵＮＡＮ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 文章编号：１００８・８４４Ｘ（２０１２）０３－００６８－０２ 江口塘大桥极限承载力非线性有限元分析 刘洋，龚江烈 （湖南省交通科学研究院，湖南长沙４１００１５） 摘要：考虑拱桥结构的极限承载力的三种分析方法，以绥宁县江口塘大桥为例，运用大 型有限元软件ＡＮＳＹＳ对该桥结构极限承载力进行分析与比较，得出了影响拱桥结构极限承载 力的主要因素。 关键词：拱桥；本构关系；非线性分析；极限承载力；影响因素 中图分类号：Ｕ ４４１ 文献标识码：Ｂ １ 工程概况 绥宁县江口塘大桥位于邵阳市绥宁县境内，全 为１．７４６ Ｉｎ，拱顶处主拱圈厚度为１．２ ｍ，绥宁侧加 长为１３７．６８ ｍ，跨径组合为ｌ×９０ ｍ＋１×１５ ｍ，主 跨为１孔一９０ ｍ变截面悬链线钢筋混凝土双曲拱， 矢高为１１．２５ ｍ，矢跨比为１／８，拱脚处主拱圈厚度 洞口 设１孔一１５ ｍ片石等截面圆弧三角拱，矢高为 ３．０ ｍ，拱圈厚度为０．７ ｍ，桥面设２．５％双向纵坡， 并设竖曲线，半径Ｒ＝７５０ ｍ；桥面宽为７ ｍ净宽＋２ ×０．２５ １１１安全带＝７．５ ｍ；设计荷载标准为汽一ｌ３， 拖一６０；桥头接线按Ⅵ级公路标准设计，如图１所示。 绥宁 图１江口塘大桥剖面图 大跨度拱桥具有宽跨比相对较小，横向刚度相 对较弱的特点，在荷载作用下，拱桥在极限承载力状 态下的破坏模式是伴随结构的几何非线性与材料非 线性共同发生的【１ Ｊ，与一般拱桥的弹性屈曲失稳破 坏不相同。因此，大跨径拱桥极限承载力分析时考 恒载集度，故采用活荷载系数Ａ作为结构的稳定安 全系数。 ２．２分析方法 本文对绥宁县江口塘大桥极限承载力分析采用 以下三种方法： 虑结构几何非线性与材料非线性是非常重要的。 １）线性弹性屈曲法：假定材料和结构均为线性 的，通过结构的刚度矩阵求解特征值得到结构的失 效因子，从而求解结构的极限承载力。 ２）几何非线性分析法：假定材料是线性的，考 虑结构的梁柱效应以及大位移效应，通过增量与迭 代相结合的方法求解结构的极限承载力，本文采用 Ｎｅｗｔｏｎ—Ｒａｐｈｓｏｎ ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ法 求解ｏ ２ 计算方法 ２．１加载方法 结构自重取ｑ。＝１３５ ｋＮ／ｍ，活荷载系数为Ａ＝ ｇ ／ｇ。，结构达到极限承载力所承担的最大荷载为 Ｉ．２ｑｇ＋１．４ｑ－，其中ｑ－为施加的活载集度，由于绥 宁县江口塘大桥拱肋为变截面结构，结构无统一的 收稿日期：２０１２・０８－１７ 作者简介：刘洋（１９８６－），男，工程师，主要从事路桥隧检测。 ３）几何与材料非线性分析法：假定结构和材料 ３期 刘洋，等：江口塘大桥极限承载力非线性有限元分析 均为非线性的，材料的非线性符合Ｖ０ｎ Ｍｉｓｅｓ准 则ｌ３ Ｊ，混凝土及钢筋的本构关系如图２、图３所示， 在荷载基本组合作用下的极限承载力，最大活载系 数Ａ计算结果如表１所示，拱肋跨中竖向位移与荷 载关系曲线如图５所示。 表１不同分析方法结构活载系数的｝匕较 为混凝土应力峰值，取ｏｒ。＝０．８ ，Ｌｋ为混凝土 标准圆柱体抗压强度，且 。＝０．００２ ＭＰａ，极限压应 变 ＝０．００３ ５，不考虑混凝土的抗拉强度；钢筋的 。屈服强度为 ＝３４５ ＭＰａ，极限拉应变占 ：０．０１。 Ａ Ｄ Ｈ 占 图２混凝土的本构关系 图３钢筋的本构关系 ３ 有限元模型 采用大型有限元软件ＡＮＳＹＳ１０．０建立绥宁县 江口塘大桥的模型如图４所示。拱肋采用空间梁单 元ＢＥＡＭ１８８模拟，拱上部填料、桥面铺装、栏杆等 自重通过计算转化为多个集中力按照拱上建筑的布 置直接加载在拱圈上，拱上回填料容重取值 ＝ ２４ ｋＮ／ｍ 。 图４拱肋三维有限元模型 ４ 极限承载力分析 根据以上介绍的３种分析方法，运用大型有限 元软件ＡＮＳＹＳ１０．０分别计算了绥宁县江口塘大桥 ３０ ２５ ２０ 峨１５ 韶ｆ 螗ｌ０ ５ ０ ０ ５０ １００ ｌ５０ ２００ 位移／ｃｍ 图５荷载一位移关系曲线 以上分析结果表明：同时考虑结构几何非线性 与材料非线性时，结构极限承载力的安全系数最小； 仅考虑几何非线性时次之；结构几何非线性与材料 非线性均不考虑时，结构极限承载力的安全系数最 大。对于大跨度拱桥，结构的几何与材料非线性对 极限承载力影响较为明显，因此，在进行大跨度拱桥 极限承载力分析时必须考虑结构的几何与材料非线 性。 ５ 影响极限承载力的因素 ５．１温度对结构极限承载力的影响 为考察温度作用对结构极限承载力的影响，分 别计算在以下３种工况下同时考虑结构几何非线性 与材料非线性时的极限承载力：工况Ｉ：１．２恒载＋ ０．７８４升温２Ｏ℃＋１．４全桥均布活载；工况ＩＩ：１．２ 恒载＋１．４全桥均布活载；工况ＩＩＩ：１．２恒载＋ ０．７８４降温２０℃＋１．４全桥均布活载。计算结果如 图６所示，由图６可知：温度作用对结构的极限承载 力影响不显著，一般来说，降温时结构的极限承载力 降低，升温时结构的极限承载力升高。 ０ ５０ １００ １５０ ２００ ２５０ 位移／ｃｍ 图６温度工况下荷载一位移关系曲线 （下转第９９页） ３期 刘建雄，等：竖向开裂Ｕ型桥台加固施工方案探索与应用 出原始位置进行观测。经过２０１０年４月到２０１０年 结合面凿毛处理干净，进行封锚施工。 ｌ０月半年时间的观察，未发现观测点有位移变化， ５ 效果确认 说明侧倾稳定，达到了加固的目的。 对桥台开裂处布设观测点，对桥台裂缝发展状 况进行观测，每隔一个月进行一次观测。经观察发 参考文献： 现侧墙的外倾变化可以直接通过伸缩缝两侧护栏的 ［１］，ｒＪ０４１－－２０００，公路桥涵施工技术规范［Ｓ］． 相对位移反映出来。因此，在护栏的伸缩缝处标记 ［２］ＪＴＧ／Ｔ Ｊ２３—２００８，公路桥梁加固技术规范［Ｓ］． （上接第６９页） 由图８可知，跨径一定时，矢跨比越小，结构的极限 ５．２荷载分布方式对结构极限承载力的影响 承载力越高，在满足结构的功能的同时，宜选择相对 为考察荷载分布方式对结构极限承载力的影 较小的矢高有利于提高结构的极限承载力。 响，分别计算在以下２种工况下同时考虑结构几何 非线性与材料非线性时的极限承载力：工况Ｉ：１．２ ６ 结论 恒载＋Ｉ．４全桥均布活载；工况ＩＩ：１．２恒载＋１．４ １）对于大跨径拱桥极限承载力分析时，必须考 偏载（半桥均布活载）。计算结果如图７所示，由图 虑结构的几何与材料非线性，仅考虑结构的几何非 ７可知：偏载作用下，结构几何和材料非线性对结构 线性和采用线性弹性屈曲法分析结构的极限承载力 的极限承载力影响较大，偏载作用下的极限承载力 时，结构的稳定安全系数偏大，对准确评估结构安全 明显低于全桥均布活载的极限承载力，可见，荷载的 性不利。 不同分布方式对结构的极限承载力影响较为显著。 ２）结构的极限承载力随着温度变化而有所变 ｌ２ 化，但总的来说，温度影响不甚显著，降温时结构的 ｌＯ 极限承载力有所降低，升温时结构的极限承载力有 ８ 所提高。 ６ 销 ３）对同一拱桥，半桥偏载作用下结构的稳定安 媳４ ２ 全系数明显低于全桥均布荷载作用下的稳定安全系 ０ 数，因此，荷载的不同分布方式对结构的极限承载力 ０ ５０ １００ ｌ５０ ２００ 位移／ｔ？ｍ 影响较为显著。 图７不同布载方式荷载一位移关系曲线 ４）跨径一定时，矢跨比越小，结构的极限承载 ５．３ 矢跨比对结构极限承载力的影响 力越高，对跨径一定的拱桥宜选择相对较小的矢高， 为考察跨径一定的拱桥不同矢高时非线性对结 有利于提高结构的极限承载力。 构极限承载力的影响，在以下３种不同矢跨比情况 下分别计算结构的极限承载力，计算结果如图８所 参考文献： ［１］张建民．大跨度钢管混凝土拱桥极限承载力与施工控制研究 示，图中：情况一：矢跨比∥￡＝１／１０；情况二：矢跨比 ［Ｄ］．广州：华南理工大学，２００１． 厂／Ｌ＝１／８（江口塘大桥）；情况三：矢跨比∥Ｌ＝１／４。 ［２］前田幸雄，等．采用增量法进行的平面框架结构物的大变形解析 的快速计算法［Ｒ］．日本土木学会论文报告集，１９７４． ［３］程进，江见鲸，肖汝诚，等．大跨度拱桥极限承载力的参数研究 Ｉ４ ［Ｊ］．中国公路学报，２００３，１６（２）：４５—４７． ｌ２ １０ ［４］王璇，郭向荣．钢桁梁柔性拱桥极限承载力分析［Ｊ］．中国铁道 ｓ 科学，２００５，２６（１）：５８—６２． 籁６ ［５］余报楚，邱文亮，张哲，等．广东金马大桥的极限承载力研究 孵４ ［Ｊ］．武汉理工大学学报，２００８，３２（６）：１０３３—１０３６． ２ ０ ０ ５０ １００ １５０ ２００ ２５０ 位移／Ｇｉｌｌ 图８不同矢跨比下荷载一位移关系曲线
