考慮非線性影響的大跨度鋼管混凝土拱橋的靜風響應分析

楊萬標　范存新

摘 要：以巫峽長江大橋為研究背景，分別研究幾何非線性以及幾何和材料雙重非線性對大橋拱肋在靜風荷載作用下內力與位移響應的影響。結果表明：在靜風荷載作用下，幾何非線性和雙重非線性對該橋拱頂的橫向位移和扭轉位移以及拱肋的面外彎矩影響比較顯著，故在進行大跨度鋼管混凝土拱橋靜風響應分析時不可忽略非線性的影響。

關鍵詞：鋼管混凝土拱橋；幾何非線性；材料非線性；靜風響應

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A 文章編號：20150309

Abstract：Taking the Wu Gorge Bridge over Yangtse River as the research background， the effect of geometrical nonlinearity and geometric and material double nonlinear to the internal force and displacement response of the arch rib of the bridge under the action of static wind load were studied. The results showed that： under the static wind load， geometry nonlinear and double nonlinear have an obvious influence on the lateral displacement， the torsion displacement and the out-of-plane bending moment of the arch. The influence of the nonlinearity can not be ignored in the process of long-span concrete-filled steel tube arch bridge static wind response analysis.

Keywords： concrete-filled steel tube arch bridge； geometrical nonlinearity； material nonlinearity； static wind response

大跨度拱橋特別是大跨度鋼管混凝土拱橋，因其施工方便、工期短、外形美觀、承載能力好等一系列優點，越來越受到橋梁設計者的青睞。因此，有必要對大跨度鋼管混凝土拱橋進行一系列的分析。文獻[1]通過非線性對巫峽長江大橋地震反應影響的分析，表明幾何非線性和材料非線性的影響都是不可忽略的。文獻[2]對風荷載作用下某復合拱結構的幾何非線性分析，結果表明風荷載作用下幾何非線性對結構拱肋截面變化處的內力和變形影響較大，不可忽略。文獻[3]通過對風荷載作用下大跨鋼管混凝土拱橋反應幾何非線性分析表明，風荷載作用下幾何非線性對拱肋內力和位移影響較大，尤其是拱腳處徑向彎矩和拱頂位移。文獻[4]通過風荷載作用下的某鋼管混凝土拱橋非線性穩定性分析表明，在風荷載作用下同時考慮幾何非線性和材料非線性對鋼管混凝土拱橋的穩定性影響很大。文獻[5]也證明了考慮材料非線性后，靜風臨界風速要比不計入材料非線性的結果小。文獻[6]通過對巫峽長江大橋的風致響應分析表明，幾何非線性對大跨鋼管混凝土拱橋的內力和變形都有一定的影響。而文獻[6]并沒有考慮材料非線性的影響，上述研究已表明材料非線性對大跨度鋼管混凝土拱橋的影響也是不可忽略的。在文獻[6]研究的基礎上，文章將對跨徑為460m的巫峽長江大橋進行靜風響應進行研究，主要是通過增量-迭代方法求解幾何非線性和幾何材料雙重非線性對靜風響應的內力和位移的影響，得出一些有益結論，對中承式鋼管混凝土拱橋的抗風研究和設計有一定的幫助。

1 大跨度鋼管混凝土拱橋的非線性

1.1 幾何非線性

在正常使用的情況下，大跨度鋼管混凝土拱橋的幾何非線性并不明顯，但在風荷載的作用下會表現出非常明顯的幾何非線性[4-5]。研究發現鋼管混凝土拱橋的幾何非線性問題屬于大位移小應變問題[1]。歸納來說，大跨度鋼管混凝土拱橋的幾何非線性主要來自以下的兩個方面：大變形效應和軸力與彎矩組合引起的梁-柱效應。在ANSYS中通過大變形效應來考慮幾何非線性的影響。

4 結束語

通過對大跨度鋼管混凝土拱橋在靜風荷載作用下，非線性對大跨度鋼管混凝土拱橋的內力和位移響應影響的分析，可以得出以下幾點結論：（1）靜風荷載作用下，巫峽長江大橋的最大的橫向位移、豎向位移、扭轉位移均發生在拱頂，因而在橫向水平風荷載作用下拱頂部位需加強設計。（2）靜風荷載作用下，巫峽長江大橋最大的軸力和面內彎矩發生在背風側拱肋下弦桿拱腳處，最大面外彎矩在背風側拱肋上弦桿拱腳處。（3）從靜風荷載作用下拱肋關鍵截面內力的非線性系數分析可以得到，無論是考慮幾何非線性還是考慮幾何材料雙重非線性，兩者對拱肋軸力影響并不很明顯，其值約為1%-3%，可以忽略；對面內彎矩的影響的最大值約為16%；然而對面外彎矩的影響就非常明顯了，就背風側上弦桿而言就已經達到43%，故該向的非線性影響不可忽略。（4）靜風荷載作用下，非線性對巫峽長江大橋豎向位移的影響并不是很明顯。但考慮幾何非線性和幾何材料雙重非線性后，結構的橫向位移和扭轉位移呈現增大趨勢，尤其是考慮幾何材料雙重非線性影響后，結構橫向位移和扭轉位移的值要超過僅考慮幾何非線性的情況。故在進行大跨度鋼管混凝土拱橋靜風響應分析時不可忽略非線性的影響。

參考文獻

[1]李少沖.考慮豎向地震動和非線性的大跨度鋼管混凝土拱橋地震反應分析[D].蘇州：蘇州科技學院碩士學位論文，2009.

[2]趙運革，李靜，雷宏剛.風荷載作用下復合拱結構的幾何非線性分析[A].建設工程安全理論與應用-首屆中國中西部地區土木建筑學術年會論文集[C].鄭州，2011：493-496.

[3]張建民，寇素霞.風荷載作用下鋼管混凝土拱橋反應幾何非線性有限元分析[J].東北林業大學學報，2005，33（5）：120-122.

[4]盛可鑒.風荷載作用下的鋼管混凝土拱橋非線性穩定性分析[J].森林工程，2006，22（2）：53-54.

[5]肖汝成，賈麗君，程進，等.靜風荷載引起的超大跨度橋梁關鍵問題研究[J].公路交通科技，2001，18（6）：34-38.

[6]馮玉珍.大跨度鋼管混凝土拱橋風致響應分析[D].蘇州：蘇州科技學院碩士學位論文，2009.

[7]張秀輝，胡仁喜，康士廷.ANSYS14.0有限元分析從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2012.

[8]韓林海.鋼管混凝土結構[M].北京：科學出版社，2000.

[9]中交公路規劃設計院.JTG/T D60-01-2004.公路橋梁抗風設計規范[S].行業標準-交（CSIC-JT），2004.

[10]項海帆，林志興.公路橋梁抗風設計指南[M].北京：人民交通出版社，1996.

[11]羅雄.利用短期實際風速記錄模擬極值風速及橋梁時域抖振分析[D].成都：西南交通大學，2002.

作者簡介：楊萬標 （1989-），男，江蘇鹽城人，碩士研究生。

*通訊作者：范存新（1968-），男，教授，博士，從事結構抗風、抗震研究。