混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究

■周康海 ■身份證號(hào)碼:36078219851201443，江西 南昌 330000

混凝土結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑中是主要的結(jié)構(gòu)方式，主要是以鋼管和混凝土形成的建筑結(jié)構(gòu)，特別在現(xiàn)代建筑，如:高架橋、拱橋、高速公路等方面，鋼管混凝土為材料的結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣。以大跨徑的拱橋?yàn)槔?，其拱肋橫向剛度相對(duì)較弱，穩(wěn)定性問題突出，在特定條件下，其穩(wěn)定性決定了整個(gè)建筑的設(shè)計(jì)和施工。

1 混凝土結(jié)構(gòu)的概述

1．1 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展情況

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用有一定的歷史。在19世紀(jì)中葉的歐洲，就已經(jīng)應(yīng)用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)來修建鐵路橋墩［1］。到20世紀(jì)中期，前蘇聯(lián)在拱橋和廠房的建設(shè)中大量的使用了鋼管混凝土，在美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家也不斷研制出不同類型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。我國(guó)更為偏重于研究?jī)?nèi)填充式的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，在上世紀(jì)60年代，地鐵、廠房等建設(shè)中就開始應(yīng)用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的推進(jìn)，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)有著蓬勃發(fā)展［2］。

1．2 鋼管混凝土材料的特點(diǎn)

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是鋼和混凝土組合結(jié)構(gòu)中的主要類型，主要以承壓為主。其特點(diǎn)是:(1)良好的塑性及韌性。鋼管混凝土在各種外力的破壞下會(huì)發(fā)生較大的塑性變形，可抗御不確定方向的外力作用，比如:地震、泥石流等?？蓻_擊負(fù)荷的作用下，該結(jié)構(gòu)有著很強(qiáng)的韌性;(2)承載力大。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的承壓例比兩種單一型結(jié)構(gòu)的承載力要大很多;(3)較好的經(jīng)濟(jì)效益。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，其組件的截面和寬度會(huì)減少近一半;與鋼結(jié)構(gòu)的對(duì)比，在一定的受力和自重的情況下，可節(jié)約近50%的鋼材;(4)較好的抗火性;(5)施工方便。應(yīng)用鋼管和混凝土組合的結(jié)構(gòu)，因鋼管的強(qiáng)度和剛度，可作為施工中的勁性骨架，同時(shí)還可簡(jiǎn)化施工和安裝工藝，縮短工期。

2 穩(wěn)定性研究理論

2．1 線性屈曲

按照線性屈曲理論，在計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)在外荷載力的作用下，穩(wěn)定性安全系數(shù)的特征的方程是:

其中，KD是結(jié)構(gòu)彈性剛度矩陣;KG是幾何剛度矩陣，和構(gòu)建的軸力存在關(guān)系;λ是荷載穩(wěn)定系數(shù);{δ}則是位移的增量。假如式中有N階，則理論上就存在N個(gè)的特征值λ。在建筑工程問題中風(fēng)只有最小的特征值或穩(wěn)定系數(shù)才有實(shí)際的意義。假如設(shè)定特征值為λar，則臨界荷載值就是λarF。

2．2 非線性屈曲

根據(jù)幾何線性的要求，拱橋混凝土結(jié)構(gòu)的非線性平衡的方程式是:

其中，KO是小位移彈性剛度矩陣;KL是初始位移矩陣;Kα則是初始應(yīng)力剛度矩陣;δ是節(jié)點(diǎn)位移;F為等級(jí)節(jié)點(diǎn)的荷載。

2．3 平衡穩(wěn)定性的判定原則

結(jié)構(gòu)和構(gòu)件平衡穩(wěn)定性的判定原則是:(1)能量原則:主要適用于保守體系，就是結(jié)構(gòu)體系在受到外加符合發(fā)生位移。應(yīng)變能和外荷載勢(shì)能的和就是整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的總勢(shì)能，根據(jù)能量原理，推出總勢(shì)能是極大值還是極小值，判定體系的平衡穩(wěn)定性;(2)靜力準(zhǔn)則:該原則只用于保守體系，利用邊界條件、物理及幾何平衡條件來構(gòu)建平衡方程，計(jì)算出結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力;(3)動(dòng)力準(zhǔn)則:只用于非保守體系，穩(wěn)定平衡結(jié)構(gòu)如受到較小的擾動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)開始振動(dòng)，擾動(dòng)撤除后，結(jié)構(gòu)則會(huì)停止振動(dòng)，那么原平衡是穩(wěn)定的，反之，則不穩(wěn)定。

3 鋼管混凝土拱橋穩(wěn)定性分析

3．1 拱橋概括

以湖北省某拱橋作為案例來分析。橋型是下承式1到104m鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的提籃型拱橋。拱肋是懸鏈?zhǔn)骄€性。矢高F為21.5m，矢跨比是 1/5，拱肋在橫橋向內(nèi)傾 8°拱肋采用了兩根直徑為1200mmX18mm的焊接鋼管，之間再采用兩塊厚度為15mm的腹板焊接成高和寬分別是3.0m和1.2m的啞鈴狀拱肋。鋼管及其腹內(nèi)應(yīng)有C55無縮式混凝土來灌注填充。該橋的詳細(xì)構(gòu)建圖如圖1:

圖1 拱橋系梁和拱肋的橫截面簡(jiǎn)圖(cm)

3．2 有限元模型的建立

本文應(yīng)有大型有限元分析軟件建立橋梁模型來計(jì)算。計(jì)算模型的建立的關(guān)鍵是混凝土結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量和邊界條件的模擬，應(yīng)該根據(jù)拱橋的結(jié)構(gòu)的特性結(jié)合類似工程計(jì)算案例［3］。在建立結(jié)構(gòu)離散模型時(shí)，要考慮兩點(diǎn):一是拱橋的主拱是混凝土和鋼管組合而成的桿系結(jié)構(gòu)，計(jì)算時(shí)通常是采用兩種方式，就是把鋼管和混凝土作為分開的兩個(gè)單元來處理和將兩者換算成相同的材料來計(jì)算;二是拱橋系梁箱式結(jié)構(gòu)的，一般可選用梁格法來簡(jiǎn)化模型。

本文采用線性屈曲分析理論，分成4個(gè)工況來研究，分別是:I工況為恒載;II工況為全部恒載;III工況為全部恒載加全橋滿布活載;IV工況是全部橫載加半滿布活載。

3．3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

所有工況橋梁的第一階的穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)該在10.5到15.0之間，以達(dá)到普通肋拱橋的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。橋梁的失穩(wěn)形式和普通肋拱橋存在一定的相似性，都是拱肋的面外扭轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，也就是說改橋的拱肋的橫向剛度比縱向剛度要弱［4］［5］。4種工況在模擬作用下，第一階穩(wěn)定性系數(shù)是在10.5到15.0間，也就表明了該拱橋的橫向穩(wěn)定性良好，和拱橋的結(jié)構(gòu)存在關(guān)系:(1)該拱橋兩片大拱肋內(nèi)傾了8°形成提籃狀，進(jìn)而強(qiáng)化了橫向的穩(wěn)定性;(2)從該拱橋的拱肋橫向構(gòu)建關(guān)系來看，兩個(gè)拱肋間基本上等間距的設(shè)置了五道橫撐，拱頂部布置了一道“X”型撐，兩側(cè)則采用了四道“K”型撐，從穩(wěn)定性分析，拱頂橫撐對(duì)約束拱肋的扭轉(zhuǎn)效果明顯，這種橫撐布置模式對(duì)橫向的穩(wěn)定性貢獻(xiàn)是極大的。

3．4 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)拱橋穩(wěn)定性的影響因素

對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)拱橋穩(wěn)定性的影響因素主要有:風(fēng)荷載對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)橋梁的穩(wěn)定性影響;矢跨比的影響，主要是通過橫縱兩向?qū)Ψ€(wěn)定性產(chǎn)生影響的;橋梁拱肋的剛度對(duì)穩(wěn)定性的影響;橫撐模式及其布置的形式對(duì)橋梁穩(wěn)定度的影響以及吊桿非保向力對(duì)穩(wěn)定性的影響等。

4 結(jié)語

本文以鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的大型拱橋來研究混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，應(yīng)用通過建立四種橋梁工況分別探討了不同因素對(duì)該種結(jié)構(gòu)的拱橋穩(wěn)定性的影響，本文的分析結(jié)果只是從線性屈曲方面來分析，未計(jì)算到結(jié)構(gòu)橋梁的幾何非線性及材料非線性的影響。

［1］邢雯芳.大跨度鋼管混凝土拱橋的穩(wěn)定性分析［D］.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2012，23(6):144-146.

［2］王浩.鐵路鋼管混凝土系桿拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性參數(shù)研究［D］.蘭州交通大學(xué)，2014，11(7):201-202.

［3］沈在康.混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用講評(píng)［M］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011，25(11):169-171.

［4］范文亮等.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系可靠度分析［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2011，16(05):141-142.

［5］秦思敏.型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在我國(guó)的應(yīng)用和研究［J］.山西建筑.2011，7(14):201-203