大跨度钢拱桥结构极限承载力分析

大跨度钢拱桥结构极限承载力分析

作者：曲探

来源：《中国化工贸易·上旬刊》2017年第03期

摘 要：随着拱桥跨径的不断增大，拱桥的极限承载力问题已引起了人们的广泛重视。本文从分析理论、试验研究及极限承载力分析方面介绍拱桥结构极限承载力研究现状与发展趋势。

关键词：大跨度拱桥；承载力；分析

随着拱桥跨径的不断增大，拱桥的极限承载力问题将会变得更为重要。过去，人们对拱桥的极限承载力分析主要采用线性方法，其中具有代表性的是线性屈曲法，由于该方法未考虑结构非线性和结构“初始缺陷”的影响，因此，仅适用于较理想的结构。随着计算机的日益发展和广泛应用，非线性有限元分析方法不断兴起，并逐渐成为结构极限承载力分析中强有力的工具。由于结构材料非线性的复杂性，目前缺乏相应的分析软件，精确考虑结构几何非线性和材料非线性的方法在拱桥极限承载力分析中一直未得到应用。此外，我国对拱桥极限承载力的研究主要集中在钢筋混凝土拱、钢桁架拱以及钢管混凝土拱，对大跨度钢拱桥极限承载力分析研究较少。然而，随着国民经济的迅速发展，拱桥跨度的不断增大，开展对大跨度钢拱桥极限承载力的研究已势在必行。 1 现状

1.1 分析理论和方法现状

人们对拱桥结构极限承载力的认识是与其计算理论的发展紧密相连的。早期的拱桥极限承载力理论为线弹性理论，该理论是首先假定结构的不同失稳模态，建立起相应的屈曲平衡微分方程，然后求解得到结构的极限荷载或者是通过求解特征值的方法计算出相应的屈曲临界荷载，因此，该理论属于第一类稳定理论的范畴。随着拱桥跨径的增大，人们逐渐发现采用线弹性理论会过高地估计结构的承载能力，是偏于不安全的。因此，建立了拱桥结构极限承载力分析的挠度理论，该理论是建立在结构第二类稳定的基础上，考虑了结构几何非线性对极限荷载的影响。随后， 更为精确的弹塑性分析理论被建立起来，并被运用到拱桥结构极限承载力分析中去。由于该理论综合考虑了结构几何、材料非线性的影响，因此， 采用该理论计算出的临界荷载能较真实地反映结构的承载能力。

拱桥极限承载力理论的发展离不开其分析方法的发展。早期的分析方法主要是线性方法，其中具有代表性的是线性屈曲法，该方法就是假定结构失稳时处于弹性小变形范围，结构的内力与外荷载成比例关系，采用求解特征值的方法进行结构临界荷载的计算。一方面由于该方法

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未考虑结构非线性和结构“初始缺陷”的影响，因此，仅适用于较理想的结构；另一方面，由于该方法计算简单，并且是非线性计算结果的上限，因此，目前仍被广泛采用。

随着计算机的日益发展和广泛应用， 非线性有限元分析方法不断兴起，并逐渐成为结构极限承载力分析中强有力的工具。考虑结构几何非线性的有限元方法首先被运用到拱桥结构极限承载力的分析中，但是由于该方法未考虑结构材料非线性的影响，所以人们又提出了综合考虑结构几何和材料非线性的分析方法，并将其运用到拱桥结构极限承载力的计算中，取得了与试验值较吻合的结果。由于考虑结构材料非线性因素的不同，其中以用等效弹性模量考虑材料非线性较为实用简单。 1.2 试验研究现状

正是由于拱桥极限承载力理论分析的复杂性及存在的困难，拱桥极限承载力研究的另一条途径就是试验研究。试验研究可以避开理论分析时引入的不少假设而造成的误差，直观地反映拱桥的受力特性，从而指导设计及施工。对拱桥极限承载力分析的试验研究，Paola Ronca 进行了一座主跨400cm，矢高75cm 的钢筋混凝土拱桥的模型试验。结果表明理论计算的该桥极限荷载与试验测量值较符合，误差不超过5 %。分别进行了主跨400cm，矢跨比1/5，m =2.24 的悬链线无铰拱和双铰拱的模型试验。试验结果表明按原有金尼克公式计算值作为拱的临界荷载是不安全的，必须进行折减。 1.3 极限承载力分析现状

拱桥极限承载力分析一般分为两种：一种是面内极限承载力分析；另一种是面外极限承载力分析。关于拱桥面内极限承载力分析，国内外已进行了大量研究，利用有限元进行非线性计算和分析已得到了较可靠的结果，有关试验和计算也证明了这一点。关于面外极限承载力分析，由于涉及到拱肋计算的三维问题，比面内极限承载力计算复杂得多，过去在这方面的研究进展较为缓慢。然而，由于近几年国内外学者的重视，这方面研究取得了较大进展，获得了不少研究成果。如某一座钢拱桥的极限承载力进行了三维有限元分析， 并讨论了不同设计参数（对拱桥极限承载力的影响。Yong-Lin Pi 对钢拱的面外非弹性承载力进行了分析， 指出荷载的分布方式以及残余应力都会对拱的面外承载力产生较大影响。然而，由于桥梁的事故往往发生在施工阶段，因此，拱桥结构施工状态下的极限承载力问题显得更为重要。赵雷、谢尚英、颜全胜等学者在这方面做了不少工作，取得了一些研究成果。 2 亟待解决的若干问题

对拱桥结构极限承载力问题展开了较广泛的研究，并且通过采用带有各自特点的方法进行极限承载力分析都取得了较好的效果，为拱桥结构极限承载力研究作出了不同程度的贡献。然而，随着拱桥跨径的不断增大，非线性效应日益突出，作用其上的荷载不断复杂化，因此，势必还存在许多问题有待于进一步探讨。一是拱桥极限承载力的精确化理论和分析方法的建立。

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目前，一般采用线性屈曲分析法求解拱桥的极限荷载。该方法虽然计算简便，概念清楚，但它的理论基础是分枝点稳定理论，只能用于理想结构。而实际拱桥结构都存在初始缺陷，拱肋轴线与压力线也不可能完全吻合。这些原因势必导致拱桥的破坏不具有分叉性而发生极值点破坏。实际研究表明，采用线性失稳理论计算的稳定系数比非线性稳定系数大几倍，因此，必须全面考虑结构几何和材料非线性才能准确评估出结构实际的承载能力。但是，如何建立一套精确考虑结构几何和材料非线性的大跨度拱桥稳定分析理论和计算方法，以及如何定量地分析非线性因素对拱桥结构极限承载力的影响，至今未得到很好的解决。二是大跨度拱桥空气静力稳定性的研究。随着拱桥跨径的增大，结构变轻变柔，在侧向静风三分力作用下，主拱与主梁将会发生较大的侧向变位和扭转，有可能出现静风和恒、活载耦合作用下的失稳。因此，大跨度拱桥的非线性静风稳定性研究是十分重要的。三是大跨度拱桥在施工过程中的非线性稳定分析。近几年来，拱桥结构在施工过程中发生破坏的现象时有发生，如某拱桥在施工过程中拱肋出现失稳，因此，如何保证拱桥在施工过程中的稳定性是值得研究的。四是钢管混凝土拱桥极限承载力的研究。近几年来，钢管混凝土拱桥以其跨越能力强而被广泛应用。然而， 由于钢管混凝土构件力学行为的复杂性，目前尚未建立起相对较完善的本构关系。钢管混凝土构件组合材料本构关系仅限于轴向受压和纯扭转剪切等简单受力状态，复杂受力状态下钢管混凝土构件的研究尚处于初始阶段。由于受材料本构关系等因素制约，对钢管混凝土拱桥极限承载力的研究还未深入开展。随着钢管混凝土拱桥跨径的不断增加，其极限承载力方面的研究会变得越来越重要，因此，深入开展钢管混凝土拱桥极限承载力方面的研究已势在必行。

拱桥是以承受压力为主的结构体系，其极限承载力一直是桥梁工程师最关心的问题之一。然而，随着拱桥跨径的不断增大，非线性效应的突出，作用其上的荷载的复杂，势必会引发出一些新的问题，如何解决这些问题值得进行深入研究。 参考文献：

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