大跨度鋼-混凝土組合橋梁承載能力分析

曹珊珊

（廣東省公路工程質(zhì)量監(jiān)測中心，廣東 廣州 510500）

1 鋼—混組合橋梁工作原理及特點(diǎn)

1.1 鋼—混組合橋梁工作原理

鋼—混凝土組合橋梁就是利用鋼與混凝土兩種材料在運(yùn)行時(shí)期的不同受力特性來有效的提高橋梁的整體承載能力。橋梁承載過程中，鋼體能夠?qū)炷疗鸬揭欢ǖ募s束作用，提高混凝土的強(qiáng)度，同時(shí)也間接提高了混凝土的塑性和韌度；同時(shí)，在混凝土的保護(hù)下，一方面避免了鋼筋受到侵蝕而降低強(qiáng)度，另一方面也避免鋼體過早的發(fā)生局部屈曲，從而使得鋼體性能得到有效的發(fā)揮，鋼體與混凝土共同達(dá)到受力，提高了橋梁的承載能力。

1.2 鋼-混組合橋梁的特點(diǎn)

根據(jù)上述分析可知，鋼—混凝土組合橋梁具備以下特點(diǎn)：

（1）橋梁承載能力得到顯著的增強(qiáng)。由于鋼體的存在，使得混凝土三向受壓，改變了混凝土的受力性態(tài)，提高了其承載力，同時(shí)混凝土也保證了鋼管的局部穩(wěn)定性，兩者共同受力提供了橋梁的穩(wěn)定性；

（2）提高橋梁的塑性和韌性。鋼體具有良好的延展性及抵抗大變形的能力，而混凝土僅僅具有較好的抗壓性能，抗拉及抗彎性能差，通過鋼筋與混凝土的搭配，在一定程度上提高了混凝土的抗變形能力，有利于橋梁的穩(wěn)定性，尤其在動(dòng)荷載的影響下。

（3）鋼—混凝土構(gòu)件也具有良好的耐沖擊力性能；

（4）提高了橋梁的經(jīng)濟(jì)性。混凝土的價(jià)格要比鋼材低很多，通過理論分析與實(shí)踐驗(yàn)證能夠發(fā)現(xiàn)，采用鋼混結(jié)構(gòu)的橋梁要比單純采用鋼結(jié)構(gòu)的橋梁費(fèi)用低50%左右。

2 大跨度鋼-混凝土組合橋梁承載能力分析方法

2.1 極限承載力理論

當(dāng)結(jié)構(gòu)在一定的荷載影響下而造成其部分功能或完全無法滿足使用功能的時(shí)候，這種狀態(tài)稱之為結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)，可以細(xì)分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用的極限狀態(tài)。其中，前者是指結(jié)構(gòu)喪失了繼續(xù)承載的能力，后者是指結(jié)構(gòu)無法滿足正常使用的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)承載能力的詳細(xì)分析對于保證結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營具有重要的作用，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)分析，對于橋梁結(jié)構(gòu)通過分析能夠初步確定出橋梁的最危險(xiǎn)荷載以及發(fā)生破壞的形式和發(fā)展規(guī)律，從而留出安全裕度，保證運(yùn)行過程中安全性。

2.2 承載力分析的相關(guān)理論及方法

承載能力的分析重點(diǎn)是對于結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定的分析，是結(jié)構(gòu)分析的重要組成部分，隨著我國在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的新技術(shù)、新材料的不斷應(yīng)用，大跨度的橋梁以其優(yōu)越性得到廣泛的發(fā)展，而大跨度結(jié)構(gòu)所具有的幾何特性以及材料非線性特征使得其承載力往往由穩(wěn)定性所控制。其失穩(wěn)破壞往往沒有任何征兆的是突然性的破壞，這使得橋梁一旦失穩(wěn)將可能造成重大的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失，因此，采取嚴(yán)格的方法對橋梁承載里進(jìn)行分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.2.1 穩(wěn)定分析理論

結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)一定是在一定的外力作用下發(fā)生的，在外力如強(qiáng)風(fēng)、地震以及車載偏壓等影響下，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的受力突然增大發(fā)生或局部受力不均衡，從而使得結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)、破壞的情況，一般來說，根據(jù)失穩(wěn)性質(zhì)的不同可以分為第一類穩(wěn)定和第二類穩(wěn)定。第一類穩(wěn)定問題即受壓構(gòu)件軸向壓力達(dá)到臨界值時(shí)，受力平衡仍有可能成立，這與第二類穩(wěn)定問題即受彎平衡有較大關(guān)系，結(jié)構(gòu)從加載開始就在彎矩較大的方向或者存在潛在缺陷的地方產(chǎn)生一定的側(cè)向變形，結(jié)構(gòu)在加載前可能保持一定的平衡，但隨著加載的持續(xù)，使得結(jié)構(gòu)變形持續(xù)增大，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性破壞后，變形突然增大，即使荷載不變，結(jié)構(gòu)也將很快出現(xiàn)失穩(wěn)，使結(jié)構(gòu)達(dá)到塑性破壞時(shí)的荷載即為極限荷載。嚴(yán)格的說，由于結(jié)構(gòu)在一開始制作過程中必然存在的安裝方面的誤差、荷載結(jié)構(gòu)受力的不同以及材料天生的缺陷，從而第一類穩(wěn)定是不可能存在的，所以，結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)一般是指第二類穩(wěn)定問題，此時(shí)的失穩(wěn)荷載即為結(jié)構(gòu)的極限承載力。

2.2.2 非線性屈曲分析

鋼—混凝土組合橋梁的穩(wěn)定性分析有三種方法：特征值屈曲分析、幾何非線性屈曲分析、雙重非線性屈曲分析。

（1）特征值屈曲分析。特征值屈曲分析主要針對的是理想的彈性結(jié)構(gòu)體所采用的分析方式，在分析過程中無法考慮材料的非線性影響以及荷載對他的初始擾動(dòng)問題。但實(shí)際結(jié)構(gòu)中必然存在缺陷和非線性的影響，因此，特征值屈曲分析的分析結(jié)果偏于保守。

（2）幾何非線性屈曲分析。對于大跨度的鋼混組合橋梁，當(dāng)荷載逐漸增大時(shí)，結(jié)構(gòu)的變形也必然隨之增大，當(dāng)荷載達(dá)到一定值后，結(jié)構(gòu)能夠承受的變形達(dá)到最大，此時(shí)，即使較小的荷載也會(huì)使得結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大變形并破壞，這時(shí)結(jié)構(gòu)到的變形即為非線性的變形問題，必須采用幾何非線性屈曲分析進(jìn)行研究。

（3）雙重非線性有限元法。鋼混組合橋在經(jīng)受超荷載作用時(shí)，可能會(huì)在局部產(chǎn)生超限的問題，局部的損失最終可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限后，即為材料的非線性問題，這時(shí)分析中既要考慮非線性的本構(gòu)方程同時(shí)也靠考慮本線性的幾何方程，在兩者同時(shí)引入到分析中，建立比線彈性和材料非線性本構(gòu)方程更為廣泛的雙重非線性本構(gòu)方程，雙重非線性本構(gòu)方程更加符合橋梁發(fā)生破壞前的受力特征，使得分析具有更高的準(zhǔn)確性。

結(jié)語

大跨度鋼—混凝土組合橋梁的承載力分析時(shí)近年來工程界的熱點(diǎn)問題，由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，也使得該問題具有很高的難度，采用數(shù)值分析方法對其進(jìn)行分析是一種有效的手段，通過對承載力分析的相關(guān)理論的研究，能夠?yàn)閿?shù)值分析提供一定的基礎(chǔ)，加強(qiáng)理論方面的研究有利于推動(dòng)數(shù)值方法的更進(jìn)一步發(fā)展。

[1]項(xiàng)海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M].北京:人民交通出版社，2002.

[2]趙雷，張金平.大跨度拱橋施工階段非線性穩(wěn)定分析若干問題的探討[J].鐵道學(xué)報(bào)，1995，17(1):76-84.