混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究

■周康海 ■身份證號碼:36078219851201443，江西 南昌 330000

混凝土結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑中是主要的結(jié)構(gòu)方式，主要是以鋼管和混凝土形成的建筑結(jié)構(gòu)，特別在現(xiàn)代建筑，如:高架橋、拱橋、高速公路等方面，鋼管混凝土為材料的結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣。以大跨徑的拱橋為例，其拱肋橫向剛度相對較弱，穩(wěn)定性問題突出，在特定條件下，其穩(wěn)定性決定了整個建筑的設(shè)計和施工。

1 混凝土結(jié)構(gòu)的概述

1．1 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展情況

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用有一定的歷史。在19世紀中葉的歐洲，就已經(jīng)應(yīng)用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)來修建鐵路橋墩［1］。到20世紀中期，前蘇聯(lián)在拱橋和廠房的建設(shè)中大量的使用了鋼管混凝土，在美國、德國等發(fā)達國家也不斷研制出不同類型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。我國更為偏重于研究內(nèi)填充式的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，在上世紀60年代，地鐵、廠房等建設(shè)中就開始應(yīng)用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。隨著我國城市化進程的推進，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)有著蓬勃發(fā)展［2］。

1．2 鋼管混凝土材料的特點

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是鋼和混凝土組合結(jié)構(gòu)中的主要類型，主要以承壓為主。其特點是:(1)良好的塑性及韌性。鋼管混凝土在各種外力的破壞下會發(fā)生較大的塑性變形，可抗御不確定方向的外力作用，比如:地震、泥石流等。可沖擊負荷的作用下，該結(jié)構(gòu)有著很強的韌性;(2)承載力大。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的承壓例比兩種單一型結(jié)構(gòu)的承載力要大很多;(3)較好的經(jīng)濟效益。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，其組件的截面和寬度會減少近一半;與鋼結(jié)構(gòu)的對比，在一定的受力和自重的情況下，可節(jié)約近50%的鋼材;(4)較好的抗火性;(5)施工方便。應(yīng)用鋼管和混凝土組合的結(jié)構(gòu)，因鋼管的強度和剛度，可作為施工中的勁性骨架，同時還可簡化施工和安裝工藝，縮短工期。

2 穩(wěn)定性研究理論

2．1 線性屈曲

按照線性屈曲理論，在計算混凝土結(jié)構(gòu)在外荷載力的作用下，穩(wěn)定性安全系數(shù)的特征的方程是:

其中，KD是結(jié)構(gòu)彈性剛度矩陣;KG是幾何剛度矩陣，和構(gòu)建的軸力存在關(guān)系;λ是荷載穩(wěn)定系數(shù);{δ}則是位移的增量。假如式中有N階，則理論上就存在N個的特征值λ。在建筑工程問題中風(fēng)只有最小的特征值或穩(wěn)定系數(shù)才有實際的意義。假如設(shè)定特征值為λar，則臨界荷載值就是λarF。

2．2 非線性屈曲

根據(jù)幾何線性的要求，拱橋混凝土結(jié)構(gòu)的非線性平衡的方程式是:

其中，KO是小位移彈性剛度矩陣;KL是初始位移矩陣;Kα則是初始應(yīng)力剛度矩陣;δ是節(jié)點位移;F為等級節(jié)點的荷載。

2．3 平衡穩(wěn)定性的判定原則

結(jié)構(gòu)和構(gòu)件平衡穩(wěn)定性的判定原則是:(1)能量原則:主要適用于保守體系，就是結(jié)構(gòu)體系在受到外加符合發(fā)生位移。應(yīng)變能和外荷載勢能的和就是整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的總勢能，根據(jù)能量原理，推出總勢能是極大值還是極小值，判定體系的平衡穩(wěn)定性;(2)靜力準則:該原則只用于保守體系，利用邊界條件、物理及幾何平衡條件來構(gòu)建平衡方程，計算出結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力;(3)動力準則:只用于非保守體系，穩(wěn)定平衡結(jié)構(gòu)如受到較小的擾動時，結(jié)構(gòu)開始振動，擾動撤除后，結(jié)構(gòu)則會停止振動，那么原平衡是穩(wěn)定的，反之，則不穩(wěn)定。

3 鋼管混凝土拱橋穩(wěn)定性分析

3．1 拱橋概括

以湖北省某拱橋作為案例來分析。橋型是下承式1到104m鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的提籃型拱橋。拱肋是懸鏈式線性。矢高F為21.5m，矢跨比是 1/5，拱肋在橫橋向內(nèi)傾 8°拱肋采用了兩根直徑為1200mmX18mm的焊接鋼管，之間再采用兩塊厚度為15mm的腹板焊接成高和寬分別是3.0m和1.2m的啞鈴狀拱肋。鋼管及其腹內(nèi)應(yīng)有C55無縮式混凝土來灌注填充。該橋的詳細構(gòu)建圖如圖1:

圖1 拱橋系梁和拱肋的橫截面簡圖(cm)

3．2 有限元模型的建立

本文應(yīng)有大型有限元分析軟件建立橋梁模型來計算。計算模型的建立的關(guān)鍵是混凝土結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量和邊界條件的模擬，應(yīng)該根據(jù)拱橋的結(jié)構(gòu)的特性結(jié)合類似工程計算案例［3］。在建立結(jié)構(gòu)離散模型時，要考慮兩點:一是拱橋的主拱是混凝土和鋼管組合而成的桿系結(jié)構(gòu)，計算時通常是采用兩種方式，就是把鋼管和混凝土作為分開的兩個單元來處理和將兩者換算成相同的材料來計算;二是拱橋系梁箱式結(jié)構(gòu)的，一般可選用梁格法來簡化模型。

本文采用線性屈曲分析理論，分成4個工況來研究，分別是:I工況為恒載;II工況為全部恒載;III工況為全部恒載加全橋滿布活載;IV工況是全部橫載加半滿布活載。

3．3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算結(jié)果

所有工況橋梁的第一階的穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)該在10.5到15.0之間，以達到普通肋拱橋的穩(wěn)定性標(biāo)準。橋梁的失穩(wěn)形式和普通肋拱橋存在一定的相似性，都是拱肋的面外扭轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，也就是說改橋的拱肋的橫向剛度比縱向剛度要弱［4］［5］。4種工況在模擬作用下，第一階穩(wěn)定性系數(shù)是在10.5到15.0間，也就表明了該拱橋的橫向穩(wěn)定性良好，和拱橋的結(jié)構(gòu)存在關(guān)系:(1)該拱橋兩片大拱肋內(nèi)傾了8°形成提籃狀，進而強化了橫向的穩(wěn)定性;(2)從該拱橋的拱肋橫向構(gòu)建關(guān)系來看，兩個拱肋間基本上等間距的設(shè)置了五道橫撐，拱頂部布置了一道“X”型撐，兩側(cè)則采用了四道“K”型撐，從穩(wěn)定性分析，拱頂橫撐對約束拱肋的扭轉(zhuǎn)效果明顯，這種橫撐布置模式對橫向的穩(wěn)定性貢獻是極大的。

3．4 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)拱橋穩(wěn)定性的影響因素

對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)拱橋穩(wěn)定性的影響因素主要有:風(fēng)荷載對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)橋梁的穩(wěn)定性影響;矢跨比的影響，主要是通過橫縱兩向?qū)Ψ€(wěn)定性產(chǎn)生影響的;橋梁拱肋的剛度對穩(wěn)定性的影響;橫撐模式及其布置的形式對橋梁穩(wěn)定度的影響以及吊桿非保向力對穩(wěn)定性的影響等。

4 結(jié)語

本文以鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的大型拱橋來研究混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，應(yīng)用通過建立四種橋梁工況分別探討了不同因素對該種結(jié)構(gòu)的拱橋穩(wěn)定性的影響，本文的分析結(jié)果只是從線性屈曲方面來分析，未計算到結(jié)構(gòu)橋梁的幾何非線性及材料非線性的影響。

［1］邢雯芳.大跨度鋼管混凝土拱橋的穩(wěn)定性分析［D］.長沙理工大學(xué)，2012，23(6):144-146.

［2］王浩.鐵路鋼管混凝土系桿拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性參數(shù)研究［D］.蘭州交通大學(xué)，2014，11(7):201-202.

［3］沈在康.混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準應(yīng)用講評［M］.中國建筑工業(yè)出版社，2011，25(11):169-171.

［4］范文亮等.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系可靠度分析［J］.土木工程學(xué)報，2011，16(05):141-142.

［5］秦思敏.型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用和研究［J］.山西建筑.2011，7(14):201-203