拱肋線形偏差對CFST拱橋極限狀態(tài)的影響研究

摘要：為探究不同拱肋線形偏差形式及幅值大小對大跨鋼管混凝土拱橋極限狀態(tài)的影響，文章以某主跨為457.6 m的中承式鋼管混凝土拱橋為依托，利用ANSYS軟件建立大橋仿真分析模型，對主拱雙重非線性穩(wěn)定及破壞路徑進行分析。結(jié)果表明：拱肋線形偏差使主拱結(jié)構(gòu)提前進入塑性發(fā)展區(qū)，且不同偏差類型對結(jié)構(gòu)非線性穩(wěn)定影響差異較大；偏差幅值以L/1 000為分化臨界點，低于該值時，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變化不明顯，但偏差超過該值時，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性加速下降；各類偏差會使結(jié)構(gòu)各塑性區(qū)域的發(fā)展產(chǎn)生不同程度的提前，而不改變其發(fā)展位置和順序；就不同偏差形式對拱肋塑性發(fā)展區(qū)域的影響程度而言，由大到小排序為：面外反對稱＞面外正對稱＞面內(nèi)反對稱＞馬鞍形＞面內(nèi)正對稱。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土拱橋；拱肋偏差；非線性穩(wěn)定；破壞路徑

中圖分類號：U448.22" " "文獻標識碼：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.026

文章編號：1673-4874（2024）11-0083-03

0引言

鋼管混凝土拱橋因其結(jié)構(gòu)承載能力大，施工周期短，經(jīng)濟性好，造型優(yōu)美等優(yōu)勢，在國內(nèi)得到迅猛發(fā)展。為適應(yīng)更大峽谷、河流區(qū)域的需要，此類橋梁跨徑亦不斷增大，目前鋼管混凝土拱橋跨徑已突破575 m，正式向600 m邁進。受限于纜索吊機吊重的影響，拱肋跨徑越大，吊裝節(jié)段數(shù)量越多，施工中出現(xiàn)線形偏差的幾率也越大。拱作為一種偏心受壓結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性對偏差異常敏感，過大的拱肋偏差不僅使結(jié)構(gòu)承載力急劇下降，甚至可能成為結(jié)構(gòu)失效的主要原因。目前國內(nèi)外學(xué)者對含偏差鋼管混凝土拱橋承載力的影響開展了系列研究。

針對拱肋線形偏差對拱橋的影響，目前已有部分學(xué)者對此展開了研究。王俊華［1］以單元管模型為基礎(chǔ)，分析了不同形式的豎向軸線偏差對成橋運營階段的影響，研究結(jié)果表明反對稱偏差影響最大，施工中應(yīng)予以控制。梁巖等［2］以某鋼筋混凝土拱橋為背景，分析了施工軸線偏差對主拱內(nèi)力狀態(tài)、抗裂、穩(wěn)定性及變形的影響，結(jié)果表明軸線偏移對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和穩(wěn)定性影響較小，但對抗裂性能及穩(wěn)定性影響較大。劉山洪等［3］針對拱軸線偏離對主拱內(nèi)力及變形的影響，提出增加拱圈配重的方式，以改善拱圈的應(yīng)力分布狀態(tài)。王占峰等［4］分析了不同拱軸線偏差對主拱焊縫截面的影響，研究表明軸線偏差對鋼管混凝土拱橋軸向力的影響相對較小，但在焊接截面位置，其彎矩和應(yīng)力的變化卻顯著增大，特別是當(dāng)偏差值超過10 cm時，彎矩和應(yīng)力的增長幅度變得尤為明顯?？岛ＹF等［5］分析了拱軸線偏差對鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)可靠度的影響，結(jié)果表明軸線偏差按跨中截面影響線布載時，橋梁的可靠度指標最低。

綜上所述，目前研究大多集中對結(jié)構(gòu)靜力狀態(tài)的分析，對不同類型、不同幅值偏差下大跨徑鋼管混凝土拱橋非線性穩(wěn)定承載力研究較少。為此，本文針對某大跨徑鋼管混凝土拱橋開展不同大小、不同類型偏差對鋼管混凝土拱橋極限狀態(tài)時非線性穩(wěn)定及破壞路徑的研究。

1工程概況

某主橋設(shè)計采用主跨為457.6 m的中承式鋼管混凝土變截面桁架拱橋方案，拱軸線按懸鏈線設(shè)計，拱軸系數(shù)為1.45，矢跨比為1/4。拱肋斷面為矩形截面，截面高度由拱腳13 m逐步過渡到拱頂7 m，單肋寬度為4 m，兩肋中心距為30.6 m。大橋主弦管尺寸設(shè)計為1 320 mm×22 mm、1 320 mm×26 mm、1 320 mm×30 mm、1 320 mm×36 mm四種，橫聯(lián)管尺寸為762 mm×16 mm，腹桿尺寸設(shè)計為660 mm×12 mm、660 mm×16 mm、660 mm×22 mm三種。主橋鋼材根據(jù)構(gòu)件重要程度采用Q345D和Q390D兩種，管內(nèi)混凝土采用C60。

2有限元計算模型

2.1幾何模型的建立

利用ANSYS軟件建立大橋仿真分析模型，鋼-混組合截面采用雙單元法模擬，拱肋弦管、核心混凝土以及拱上立柱等采用Beam188單元模擬，吊桿采用Link10單元模擬，混凝土橋面板及拱腳三角板采用Shell63單元模擬，大橋拱腳固結(jié)。有限元仿真分析模型如圖1所示。

2.2核心混凝土本構(gòu)模型選取

作為鋼-混組合截面，拱肋核心混凝土多處于三向受力狀態(tài)，鋼管界面約束越強，對整個截面的強度提升越顯著。本文選取行業(yè)應(yīng)用較為廣泛的韓林海核心混凝土本構(gòu)模型進行分析計算［6］，為考慮材料非線性的影響，選取ANSYS軟件自帶的多線性強化模型MISO進行核心混凝土模擬。

3偏差類型選取及分析工況

3.1偏差類型選取

拱肋偏差類型主要分為局部偏差和整體偏差，其中局部偏差多是由吊裝引起的節(jié)段安裝誤差以及鋼結(jié)構(gòu)加工產(chǎn)生的制造誤差，影響范圍較小。而整體偏差則是拱軸線整體范圍內(nèi)偏離設(shè)計軸線，影響較大，為此本文選取后者進行研究。其中偏差幾何分布，根據(jù)文獻［7-8］推薦，按正弦函數(shù)進行模擬。本文偏差幾何分布類型和模擬函數(shù)如表1所示。

3.2分析工況

為盡可能讓本文研究內(nèi)容反映實際施工狀況的影響，以《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準》（JTG/F80-1-2017）［9］規(guī)定值5 cm為參照，選取工程中較易出現(xiàn)的四種偏差峰值和兩個較大峰值進行計算分析，如表2所示。前四種計算工況分析結(jié)果能更好地指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)施工，而較大偏差峰值計算工況能更全面地剖析偏差對非線性穩(wěn)定的影響趨勢。

4偏差對結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的影響研究

4.1偏差對結(jié)構(gòu)非線性穩(wěn)定的影響研究

為盡可能地使分析結(jié)果能反映拱橋在初始缺陷下的最不利狀態(tài)，本文在進行活載布置時，按全橋半布。由于本文仿真模型考慮了雙重非線性的影響，計算時采用牛頓-拉普森迭代法求解，非線性收斂準則同時采用位移范數(shù)與荷載范數(shù)，分別設(shè)置為0.05和0.01，穩(wěn)定安全系數(shù)采用將恒載、活載一同放大的方法計算。

考慮雙重非線性下，偏差對該橋穩(wěn)定安全系數(shù)的影響如圖2所示。限于篇幅，僅給出影響最大的面外軸線反對稱偏差影響下拱頂節(jié)點的荷載系數(shù)-位移曲線，如圖3所示。

由圖2和圖3分析可知：

（1）不同類型偏差對結(jié)構(gòu)非線性穩(wěn)定的影響差異顯著，總體呈現(xiàn)出正對稱偏差低于反對稱偏差，拱橋面外軸線偏差影響大于面內(nèi)高程偏差的趨勢。五類偏差中，面外軸線反對稱偏差影響最為顯著。

（2）拱肋線形偏差過早使荷載系數(shù)-位移曲線由直線段進入曲線段，即結(jié)構(gòu)提前進入塑性發(fā)展階段，承載能力降低，可見結(jié)構(gòu)極限承載能力與偏差幅值成負相關(guān)關(guān)系。

（3）主拱一經(jīng)出現(xiàn)偏差，必將影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。當(dāng)偏差幅值在小于L/1 000范圍波動時，各類偏差形式對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較小，控制在＜7%；當(dāng)偏差幅值超過L/1 000時，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性加速下降。由此可認為，拱肋線形偏差以L/1 000為分化臨界點，施工過程中應(yīng)盡量將拱肋線形偏差控制在L/1 000以內(nèi)。

4.2偏差對結(jié)構(gòu)破壞路徑的影響研究

為便于與有偏差的情況進行對比，首先分析大橋在無初始缺陷即無線形偏差下結(jié)構(gòu)的破壞路徑，結(jié)構(gòu)達到極限狀態(tài)時破壞全過程如圖4所示，荷載系數(shù)如表3所示。

由圖4和表3可知：當(dāng)荷載系數(shù)為2.48時，拱腳A處下弦管底緣應(yīng)力達到材料屈服極限，該處截面進入塑性狀態(tài)，隨著荷載不斷增大，拱腳附近腹桿相繼進入塑性工作狀態(tài)，塑性區(qū)域向跨中發(fā)展；當(dāng)荷載系數(shù)為2.93時，B處下弦管底緣材料應(yīng)力達到屈服極限，A處塑性區(qū)域不斷增大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度逐漸降低，變形亦顯著增加；當(dāng)荷載系數(shù)為3.10時，C處弦管及腹桿開始出現(xiàn)塑性區(qū)域，此時拱肋3L/8截面處材料應(yīng)力迅速增加，結(jié)構(gòu)剛度進一步降低；當(dāng)荷載系數(shù)為3.22時，D處上弦管進入塑性區(qū)域，結(jié)構(gòu)塑性區(qū)域增加至4處，結(jié)構(gòu)臨近喪失承載力狀態(tài)；當(dāng)荷載系數(shù)為3.30時，隨著拱頂上弦管進入塑性區(qū)，結(jié)構(gòu)拱肋剛度急劇降低，主拱向機動體系轉(zhuǎn)變。由此可見，隨著荷載的增加，塑性區(qū)域范圍逐步擴大，最終荷載系數(shù)達到3.54時，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系而最終發(fā)生破壞。

同樣的，分析上述不同偏差形式下拱肋極限狀態(tài)的破壞路徑。鑒于篇幅有限，本文僅列出工況六即偏差幅值取L/500時對塑性區(qū)域發(fā)展的影響，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，拱肋線形偏差的存在，并未改變拱肋塑性區(qū)域的發(fā)展歷程與位置，但顯著降低了各塑性區(qū)域的非線性穩(wěn)定系數(shù)，使各構(gòu)件提前進入塑性發(fā)展區(qū)域。就其影響程度而言，面外反對稱偏差＞面外正對稱偏差＞面內(nèi)反對稱偏差＞馬鞍形偏差＞面內(nèi)正對稱偏差，可見以面外反對稱偏差影響最甚，其使結(jié)構(gòu)進入?yún)^(qū)域A的進程加速了14.3%。

5結(jié)語

本文以某主跨457.6 m的中承式鋼管混凝土拱橋為依托，利用ANSYS軟件建立大橋仿真分析模型，圍繞不同類型偏差對大跨徑鋼管混凝土拱橋極限狀態(tài)的影響進行了研究，得出主要結(jié)論如下：

（1）拱肋極限承載力與拱肋線形偏差幅值成負相關(guān)關(guān)系，拱肋線形偏差的存在使得拱肋提前進入塑性發(fā)展區(qū)；五種偏差類型中，面外反對稱偏差對拱肋非線性穩(wěn)定的影響最為顯著。

（2）拱肋線形偏差以L/1 000為分化臨界點，當(dāng)偏差幅值在小于L/1 000范圍波動時，各類偏差形式對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較小，控制在＜7%；當(dāng)偏差幅值超過L/1 000時，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性加速下降。

（3）拱肋線形偏差并不會改變拱肋塑性區(qū)域的發(fā)展歷程與位置，但會顯著降低各塑性區(qū)域的非線性穩(wěn)定系數(shù)，使各構(gòu)件提前進入塑性發(fā)展區(qū)域。

（4）就不同形式偏差對拱肋塑性發(fā)展區(qū)域的影響程度而言，面外反對稱偏差＞面外正對稱偏差＞面內(nèi)反對稱偏差＞馬鞍形偏差＞面內(nèi)正對稱偏差，面外反對稱偏差影響最甚，其使結(jié)構(gòu)進入?yún)^(qū)域A的進程加速了14.3%。

參考文獻：

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2024-05-18

基金項目：廣西重點研發(fā)計劃“特大跨勁性骨架混凝土拱橋建造關(guān)鍵技術(shù)”（編號：桂科AB22036007）

作者簡介：梁警（1989—），工程師，主要從事路橋施工技術(shù)管理工作。