影响钢管混凝土拱极限承载力的参数研究

作者:周成杰;沈飞峰 刊名:山西建筑 上传者:杨翼

【摘要】利用有限元分析软件ANSYS,对影响钢管混凝土拱极限承载力的参数进行了研究,详细介绍了计算模型的建立,探讨了几何缺陷对钢管混凝土拱极限承载力的影响,得出了许多有益的结论,为钢管混凝土拱的设计和施工提供了理性认识。

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工程中应用的构件长细比均较强度破坏规定时大[1],轴向力产生的附加弯矩不容忽视,一般属于稳定破坏。在钢管混凝土拱桥工程实践中,恒载压力线与拱轴线的偏离、施工预拱度的设置、施工偏差导致的初变形、非对称加载等因素使实际拱桥的失稳形态大部分属于第二类失稳,即极值点失稳问题。钢管混凝土拱桥随着跨径的增大、材料强度的提高,在第二类失稳破坏时结构表现出大位移、大应变的特点,大量试验研究充分说明这一点。因此有限元程序应考虑结构的几何非线性和材料非线性问题[5],按双重非线性理论分析钢管混凝土拱桥从加载开始直至稳定极限荷载的全过程受力情况。1计算模型的建立1.1对几何和材料非线性的模拟对于几何非线性的模拟,只要将ANSYS中大变形开关打开即可,对材料非线性的模拟,本文按照统一理论建立模型,输入组合材料的非线性本构关系。材料非线性有限元分析采用的基本假定如下[1]:1)加载过程中截面始终保持平面。2)忽略剪应力和剪应变的影响。3)钢管和混凝土之间无滑移现象。4)单元两端之间的截面内力近似地按线性变化,取单元的平均刚度作为单元刚度。1.2单元类型的选择将钢管混凝土视为一种组合材料,把钢管和混凝土作为一个整体看待,输入组合材料的非线性本构关系。用直线梁单元来进行拱的计算分析,梁单元的截面取实心圆,圆直径为钢管外径。选用Beam188梁单元,Beam188单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构,该单元基于铁木辛哥梁结构理论,并考虑了剪切变形的影响,且Beam188是三维线性(两节点)梁单元,在每一个节点有6个自由度,该单元可以应用于线性、大转动或者非线性大应变问题。Beam188单元在大变形分析项打开时,将自动计算应力的刚化。应力刚化条件将使得单元具备分析弯曲、横向或扭向的稳定性问题(可以用弧长法进行特征值屈曲分析和失稳研究)。Beam188单元允许用SECTYPE,SECDATA,SECOFFSET,SECWRITE和SECREAD等命令来定义横截面尺寸和形状,支持弹性,蠕变和塑性模型,与此单元相联系的横截面允许使用多种材料属性。1.3本构关系的选择[2,3]根据钢管混凝土的塑性性质,需要考虑鲍兴格效应,同时屈服遵守Von-Mises准则,从而选用随动强化类型[4],根据钢管混凝土统一理论,选用文献[2]中钢管混凝土轴压时组合材料应力应变关系,为简化起见,本文用直线代替弹塑性阶段的抛物线,见图1。2模型1选取模型拱的净跨径为460cm,净矢高f=153.3cm,拱肋钢管763.792mm无缝钢管,肋拱下缘曲线为二次抛物线,混凝土为C30。工况1:通过改变钢管厚度改变含钢率,壁厚分别为1.792mm,2.792mm和3.792mm,如图2所示。工况2:改变钢管内混凝土强度,分别为C30,C40,C50,如图3所示。工况3:改变钢材强度,分别为Q235,Q345,Q390,如图4所示。3模型2在模型1的基础上,将原模型改作平行双肋拱,不改变拱肋的材料性质,并加上3根604mm的钢管混凝土横撑,如图5所示。本文分别对3根横撑、2根横撑(去掉拱顶处横撑)、5根横撑(在两端拱脚处各加1根)的模型拱的极限承载力计算进行模拟,结果见表1。表1横撑对极限承载力的影响kN1根横撑37.892根横撑55.023根横撑74.45根横撑73.14几何缺陷对极限承载力影响对单肋拱和平行双肋拱进行特征屈曲分析,根据分析得到的第一特征屈曲形态的1%作为结构的初始几何缺陷,进行肋拱的极限承载力模拟,单肋拱的荷载施加在拱顶,平行双肋拱的荷载施加在横系梁与肋拱交接处的节点上。表2各计算工况的极限荷载计算

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