鋼箱拱橋失效機理及設(shè)計方法范文

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《漣鋼科技與管理》2017年第5期

摘要:橋梁工程是我國交通發(fā)展的基礎(chǔ)工程，隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，人們對橋梁的關(guān)注點不僅僅是橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更是橋梁的美觀性，鋼箱拱橋就可以很好的滿足這些要求，不但可以有很好的外觀，而且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也非常強，但是在鋼箱拱橋中也存在很多的靜力失效形式，其中屈曲失穩(wěn)是主要的形式之一，也就是我們經(jīng)常說的地震。當(dāng)前，一些專家在進(jìn)行鋼箱拱橋的失效機理研究時主要采用方法的是建立桿系有限元模型，利用彎矩曲率模型或者纖維模型的彈塑性大變形理論對鋼箱拱橋的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行研究，但是在采用這種方法進(jìn)行研究時，很多人都忽略了局部屈曲對鋼板的影響，而鋼箱拱橋的拱肋截面就是由這些鋼板組成的，這也是引起鋼箱拱橋失效的主要原因。

關(guān)鍵詞:鋼箱拱橋；板殼模型；纖維模型；穩(wěn)定性能；極限承載能力鋼箱拱橋在我國的橋梁工程中應(yīng)用主要是因為高強度吊桿的出現(xiàn)，高強度吊桿不僅提高了鋼箱拱橋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性還使鋼箱拱橋的很多新式結(jié)構(gòu)能夠在橋梁施工中被應(yīng)用。隨著我國橋梁施工技術(shù)的不斷成熟，目前的鋼箱拱橋吊桿是由高強度鋼絲的組合而成的，這些高強度鋼絲應(yīng)用在鋼箱拱橋中很好的展現(xiàn)了力學(xué)的特點，吊桿的布置方式存在很大的可變性，這也是鋼箱拱橋的外觀受到很多人的欣賞。因此，在鋼箱拱橋的施工過程中，一定要對拱橋的吊桿、拱肋等問題加強重視，不斷提高結(jié)構(gòu)的溫度性，促進(jìn)鋼箱拱橋在我國橋梁施工中的應(yīng)用和發(fā)展。

1鋼箱節(jié)段結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)研究

1．1單調(diào)荷載作用下的極限狀態(tài)

通過對鋼箱拱橋結(jié)構(gòu)荷載位移曲線的研究可以發(fā)現(xiàn)，在單調(diào)荷載的作用下，如果荷載達(dá)到了最大值，那么荷載最大值附近的鋼板就會在應(yīng)力的作用下發(fā)生變形，變形的增大也會促進(jìn)結(jié)構(gòu)承載能力的降低。在鋼箱拱橋的施工中使用到的鋼材都是延展性非常優(yōu)越的鋼材，本文對鋼箱拱橋結(jié)構(gòu)荷載位移曲線的研究選取的是承載力達(dá)到最高點以后的狀態(tài)作為輕度失效的狀態(tài)來對結(jié)構(gòu)的極限應(yīng)變進(jìn)行分析。通過研究得知，在結(jié)構(gòu)受到不同的軸力作用時，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的極限狀態(tài)會比較相近，發(fā)生變形時的狀態(tài)也基本一致。如果荷載達(dá)到了最高點，鋼箱拱橋中的立柱結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，而拱橋中的很多腹板的結(jié)構(gòu)厚度都要比翼緣板的厚度小，所以在發(fā)生變形時，也是腹板比翼緣板先出現(xiàn)變形狀態(tài)。

1．2纖維模型與板殼模型的差異

在鋼箱拱橋采用纖維模型和板殼模型對抗震性能進(jìn)行分析，得到的最大荷載系數(shù)。通過研究可以發(fā)現(xiàn)，板殼模型的最大荷載系數(shù)要比纖維模型的荷載系數(shù)大，但是系數(shù)值的相差度也不是特別高，主要是因為在采用纖維模型對鋼箱拱橋的鋼板進(jìn)行變形計算時沒有將后期的承載力計算在內(nèi)，得到的結(jié)果也沒有明顯的變化。

1．3極限壓應(yīng)變與軸壓比的關(guān)系

在不同的軸力作用下，板殼模型的計算數(shù)值和結(jié)果都存在很大的差異，具體情況如下圖所示。從圖中可以得知，在受到不同軸力的影響下，板殼模型的滯回曲線的面積雖然有很大的區(qū)別，但是滯回曲線的形狀是程一定的規(guī)律的。從試驗得出，軸壓和滯回環(huán)的表面積成反比，在受到的軸壓比較小時，滯回環(huán)的面積就會增大，而在受到的軸壓比較大時，滯回環(huán)的面積就會相對減小。

2鋼箱拱橋在地震作用下的失效機理研究

2．1結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和失效特性

在對鋼箱拱橋的抗震能力進(jìn)行計算時，采用板殼單元的計算方式時，無法從計算模型中直接將軸力提取出來，想要對軸力進(jìn)行提取還需要進(jìn)行截面應(yīng)力和面積的分析，對采用纖維模型計算，拱肋和立柱的軸力變化進(jìn)行適當(dāng)分析，通過分析可以得知，在地震波的影響下，拱肋軸力變化范圍在0.05－0.4Ny之間，立柱軸力變化范圍在0－0.15Ny之間，邊立柱的軸力變化比中間立柱大。分析結(jié)果可以得知，在對鋼箱拱橋的抗震能力進(jìn)行計算時，需要將這種軸力對計算結(jié)果的影響考慮到工程的設(shè)計中，避免出現(xiàn)考慮不周而造成的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

2．2最大壓應(yīng)變與平均極限壓應(yīng)變

本文通過對以往眾多資料的查閱，發(fā)現(xiàn)很多專家在對鋼箱拱橋的抗震性能進(jìn)行計算時采用的是極限應(yīng)變的計算方法，這種方法雖然比較常用，但是方法的有效性卻沒有得到相應(yīng)的驗證。因此，本文利用以往的一些專家在計算時得到的結(jié)果對這種計算方法的可行性進(jìn)行了適當(dāng)?shù)姆治觥Ｔ蚴沁@兩個立柱在地震作用下受到的破壞力比較大，這兩個立柱上個單元最大壓應(yīng)變發(fā)生單元的應(yīng)變時程曲線。最大壓縮應(yīng)變以及殘余壓應(yīng)變計算結(jié)果的對比。在鋼箱拱橋的抗震性能計算時，采用板殼模型的計算方式是比采用纖維模型的計算方式得到的結(jié)果要大，這就說明，在橋梁結(jié)構(gòu)的塑性狀態(tài)下，橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時的變形應(yīng)力比較集中，出現(xiàn)的殘余應(yīng)力也比較大，而在纖維模型的計算方式下，橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時的應(yīng)力會比較分散，殘余應(yīng)力也相對較小。也就是說在地震作用下，對橋梁結(jié)構(gòu)的損壞比較小時，采用板殼模型和纖維模型對破壞力進(jìn)行計算時的差異比較小，而在地震作用的破壞力比較大時，差異就比較大，因此，在對橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行計算時，如果地震的破壞力較小時采用這兩種計算方式都是可行的，但是在地震的破壞力較大時，建議采用纖維模型進(jìn)行計算，采用這種方式可以得到更加精確的結(jié)果。

2．3鋼箱拱橋抗震性能驗算方法的建議

近些年，我國的科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，鋼箱拱橋結(jié)構(gòu)中的抗振性能計算方式也在發(fā)生著變化，隨著有限元技術(shù)越來越成熟，我國的很多橋梁在地震作用下的破壞可以通過計算的方式進(jìn)行，一些專家在發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的缺陷和非線性因素對橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響之后，開始采用三維彈塑性有限元模型展開對地震作用下橋梁的失效機理進(jìn)行計算和分析。這種三維彈塑性有限元模型可以很好對鋼箱拱橋的失效機理進(jìn)行計算，分析出的結(jié)果也比較準(zhǔn)確，但是，如果對鋼箱拱橋的有限元模型的計算比較復(fù)雜時，在工程的設(shè)計中，這種復(fù)雜的建模過程實現(xiàn)起來就非常困難了，而且纖維模型在計算中量相對較小，通過一些研究可以發(fā)現(xiàn)，纖維模型的計算準(zhǔn)確度還是比較高的，在鋼箱拱橋的抗震能力計算時可行性比較高。在鋼箱拱橋的抗震能力計算時，存在一些塑性應(yīng)變比較大區(qū)域，對這些區(qū)域進(jìn)行計算時需要準(zhǔn)確的找出極限塑性應(yīng)變的數(shù)值，但是到目前為止，仍然沒有一個完善的方法可以對這項數(shù)值進(jìn)行確定，而目前的計算中應(yīng)用的平均法雖然可以得到相對準(zhǔn)確的數(shù)值，但是仍然不能滿足極限塑性應(yīng)變值與破壞區(qū)域之間的隨意性的關(guān)系。因此，在對鋼箱拱橋的結(jié)構(gòu)抗振性能進(jìn)行計算時，在不同的區(qū)域采用不用的計算方式，以提高抗震計算的準(zhǔn)確性，比如說，在拱腳和立柱的計算時采用板殼單元，其他的一些部位可以采用纖維模型，提高模型在計算中的可靠性，在這些數(shù)值應(yīng)用到工程的設(shè)計中以后，給后續(xù)的工程施工也奠定了基礎(chǔ)。

3結(jié)束語

綜上所述，隨著鋼箱拱橋在我國的橋梁施工中應(yīng)用越來越廣泛，人們對于橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題的關(guān)注度持續(xù)增長，而影響鋼箱拱橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，造成失效的因素非常多而且也非常的復(fù)雜，本文只是對其中的一小部分進(jìn)行分析，結(jié)合鋼箱拱橋的施工具體情況來看，鋼箱拱橋結(jié)構(gòu)的受力情況比較簡單，但是從每個結(jié)構(gòu)的不同來說，鋼箱拱橋的受力結(jié)構(gòu)又非常的復(fù)雜，而且具有一定的非線性特征。鋼箱拱橋的鋼板非常容易在某些情況下發(fā)生屈曲和損壞，比如說在焊縫、溫度以及殘余應(yīng)力的作用下失效情況也是不同的，對結(jié)構(gòu)的受力情況也會產(chǎn)生影響。因此在對鋼箱拱橋進(jìn)行設(shè)計時，需要將這些情況都考慮到施工中，避免出現(xiàn)鋼箱拱橋的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，造成安全隱患。

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作者：王陽 單位：河北建設(shè)集團(tuán)卓誠路橋工程有限公司