大跨度鋼箱梁斜拉橋施工階段幾何非線性分析

高鴿子

西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院

大跨度鋼箱梁斜拉橋施工階段幾何非線性分析

高鴿子

西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院

作為一種高次超靜定柔性受力體系，與連續(xù)梁和桁架梁相比較，斜拉橋特別是大跨度斜拉橋，幾何非線性影響較為突出，而且影響因素也較多。本文以主跨跨徑680m的雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋?yàn)槔?，采用Midas Civil建立有限元模型，對(duì)斜拉橋的在溫度荷載和車輛荷載作用下幾何非線性和線性計(jì)算結(jié)果做了詳盡的對(duì)比分析。線性計(jì)算時(shí)，模型中的主梁和主塔采用梁?jiǎn)卧?，斜拉索采用桁架單元來模擬；非線性計(jì)算時(shí)，模型中的主梁和主塔采用梁?jiǎn)卧?，斜拉索采用索單元來模擬。

斜拉橋；幾何非線性；有限元；靜力分析

1 概述

斜拉橋是塔、梁、索三種基本構(gòu)件組成的纜索承重結(jié)構(gòu)體系，屬于高次超靜定柔性結(jié)構(gòu)[1]。與連續(xù)梁和桁架梁的結(jié)構(gòu)分析相比較，幾何非線性影響突出且影響因素多[2][3]。特別是對(duì)特大跨度的斜拉橋來說，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)斜拉索較長(zhǎng)，索自重產(chǎn)生的垂度大，索的伸長(zhǎng)量與索內(nèi)拉力不成比例關(guān)系；(2)整個(gè)結(jié)構(gòu)的幾何變形也較大，大變形問題很突出。(3)軸向力與彎矩相互作用的影響，使得大跨度斜拉橋的幾何非線性分析顯得較為復(fù)雜。因此，對(duì)斜拉橋進(jìn)行幾何非線性分析是必要的。

本文以某長(zhǎng)江大橋?yàn)槟Ｐ?，用非線性有限元方法對(duì)鋼箱梁斜拉橋在施工階段和使用階段由汽車活載及溫致效應(yīng)所導(dǎo)致的幾何非線性效應(yīng)分別進(jìn)行了分析。

2 模型介紹

斜拉橋整體結(jié)構(gòu)模型可分為幾何模擬、剛度模擬、邊界模擬、力的模擬、施工模擬這五個(gè)方面[4]。采用有限元分析軟件Mi?das Civil軟件進(jìn)行建模，具體單元選擇介紹如下。在幾何非線性計(jì)算中，Midas采用了CR列式[4]，這種方法有效地考慮了梁端大轉(zhuǎn)角的情況。

該長(zhǎng)江大橋主橋上部結(jié)構(gòu)為雙塔雙索面5跨連續(xù)鋼箱梁斜拉橋，采用半漂浮結(jié)構(gòu)體系。主梁采用正交異性橋面板流線型扁平鋼箱梁，斜拉索采用平行鋼絞線拉索。斜拉索在鋼箱梁上的錨固采用了錨拉板結(jié)構(gòu)形式。橋塔采用組合式橋塔，分為上中下三部分。下部是整體箱形塔墩、上部為鉆石型鋼筋混凝土塔架，橫梁將塔柱聯(lián)成整體。模型如下。

圖1 全橋有限元模型

2.1 斜拉索單元

在線性計(jì)算時(shí)，采用桁架單元模擬斜拉索單元。僅考慮索單元引起的非線性影響時(shí)采用Ernst修正彈性模量的方法模擬多單元[2][3]，當(dāng)考慮到幾種幾何非線性因素共同作用時(shí)，采用懸鏈線索單元來模擬。

2.2 橋塔單元

斜拉橋主塔模擬方法較為單一，即將橋塔視為理想的抗彎、抗剪、抗扭和抗軸力的均勻構(gòu)件，采用三維梁?jiǎn)卧獊砟M。塔單元的劃分不宜太粗，通常為3m到4m為一個(gè)單元。

2.3 主梁

本文中該橋主梁采用閉口鋼箱梁，有限元模型選用“魚骨”模式。該方法的特點(diǎn)是，用位于截面扭轉(zhuǎn)中心的梁?jiǎn)卧M主梁，主梁的剛度(豎向、橫向撓曲剛度，扭轉(zhuǎn)剛度)和質(zhì)量(平動(dòng)質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)都集中在中間節(jié)點(diǎn)上，主梁與斜拉索之間通過主梁橫向伸出的準(zhǔn)剛性單元或剛性單元來連接，幾何模式如同“魚骨”[5][6]。

3 施工階段幾何非線性分析

考慮收縮徐變，分析施工階段幾何非線性，計(jì)算中，將收縮徐變和幾何非線性效應(yīng)進(jìn)行了耦合計(jì)算，按照實(shí)際的施工過程對(duì)斜拉橋進(jìn)行了正裝計(jì)算。并對(duì)主梁彎矩、撓度、應(yīng)力，主塔彎矩、順橋向位移、應(yīng)力，成橋索力在考慮非線性和不考慮非線性兩種情況下進(jìn)行了對(duì)比分析。

從線性和非線性計(jì)算的對(duì)比結(jié)果可以看出，考慮非線性時(shí)，主梁彎矩最大處增大了8.35%，上緣應(yīng)力最大處減小了2.14%，主梁下緣應(yīng)力最大處增大了4.32%，主梁跨中豎向位移增大了7.07%。主梁軸力基本沒有變化，但彎矩變化較大。這是由于斜拉橋主梁是受壓為主的構(gòu)件，由于斜拉橋斜拉索在主梁上產(chǎn)生了巨大的軸向力，雖然主梁彎矩變化較大，但是軸力變化較小，所以主梁的應(yīng)力變化較小。

南主塔在考慮非線性影響下，最大彎矩增大了20.22%；北塔在考慮非線性影響下，最大彎矩增大了11.1%；南塔在考慮非線性情況下最大位移處增大了11.21%；北塔在考慮非線性影響下，最大位移處增大了0.21%；在軸力和應(yīng)力方面，南北主塔的變化幅度均較小，不超過1%。出現(xiàn)這種情況的主要原因是由于主塔是壓彎構(gòu)件，

4 結(jié)論

本文結(jié)合某大跨鋼箱梁斜拉橋施工過程及使用階段結(jié)構(gòu)反應(yīng)中的幾何非線性影響進(jìn)行了分析，通過對(duì)主梁彎矩、撓度、應(yīng)力，主塔彎矩、應(yīng)力、順橋向位移，成橋索力在考慮非線性和不考慮非線性兩種情況下進(jìn)行了對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

施工階段，考慮非線性情況下斜拉橋應(yīng)力變化幅度在5%以內(nèi)，但是主梁和主塔的位移變化較大，在施工控制中應(yīng)該考慮非線性影響下的位移變化情況。

[1]鄒循華.大跨徑鋼箱梁斜拉橋的靜力幾何非線性分析研究[D].南昌大學(xué),2008.

[2]王應(yīng)良.大跨度斜拉橋考慮幾何非線性的靜、動(dòng)力分析和鋼箱梁的第二體系應(yīng)力研究[D].西南交通大學(xué),2000.

[3]林元培.斜拉橋[M].人民交通出版社,1996.

[4]北京Midas技術(shù)有限公司.Midas使用手冊(cè),2000.

[5]周上君.斜拉橋非線性靜力分析[J].橋梁建設(shè),1982.

[6]胡文輝.潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江公路大橋北汊斜拉橋施工控制[D].東南大學(xué),2004.