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      某提籃拱拱肋穩(wěn)定分析

      2016-12-16 02:41:40雷堅(jiān)
      城市道橋與防洪 2016年11期
      關(guān)鍵詞:計(jì)算長(zhǎng)度鋼箱成橋

      雷堅(jiān)

      (同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092)

      某提籃拱拱肋穩(wěn)定分析

      雷堅(jiān)

      (同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092)

      以宜興市梅林大橋?yàn)楣こ瘫尘埃袄邽樽兘孛?,且面?nèi)有多根吊桿,面外有多道橫撐,面內(nèi)外的穩(wěn)定系數(shù)無(wú)法根據(jù)規(guī)范和理論公式直接得出,需借助有限元軟件MIDAS/Civil建立屈曲分析模型,得到一階面內(nèi)外失穩(wěn)安全系數(shù),并求出屈曲臨界荷載,并通過(guò)歐拉公式反推求得拱肋面內(nèi)外長(zhǎng)細(xì)比,查表求出整體穩(wěn)定系數(shù)φx、φy。并分析和總結(jié)拱肋間橫撐對(duì)某提籃拱橋穩(wěn)定性的影響。

      提籃拱;面內(nèi)外穩(wěn)定;失穩(wěn)安全系數(shù);整體穩(wěn)定系數(shù);橫撐

      1 概述

      梅林大橋項(xiàng)目位于宜興市東氿湖畔大溪路上,跨越大溪河,是連接?xùn)|氿水城與大溪河南岸的重要橋梁。該橋?yàn)槿邕B續(xù)梁拱組合體系全鋼結(jié)構(gòu)提籃拱橋,跨徑布置為66m+168m+66m=300m,其中拱肋只布置在中跨,失跨比為1/5.25,拱肋采用鋼箱斷面。主梁邊跨采用鋼箱主梁結(jié)構(gòu);中跨采用雙主梁結(jié)構(gòu)。全橋總體布置如圖1所示。

      主梁為全鋼結(jié)構(gòu),邊跨采用鋼箱主梁形式,梁高2.5m,中墩處加高至4m。中梁底板厚30mm,邊梁底板厚12mm;中跨頂板全寬25.52m,底板寬26.5m,梁高2m。頂板厚14mm,車(chē)行道部分采用U形加勁肋,其余部分均采用板式加勁肋。

      拱肋采用雙拱肋提籃形式,弧長(zhǎng)182.6m,拱肋向橋中心線(xiàn)傾斜15.452°。拱軸線(xiàn)為分段二次拋物線(xiàn),斷面為單室鋼箱斷面,寬度為2.1m,高度從拱頂?shù)?.4m二次變化到拱腳的4.5m。頂、底板厚均為20mm(拱腳處為30mm);腹板厚為20mm(拱腳處為30mm)。

      拱肋的截面特性見(jiàn)表1。拱肋橫斷面如圖2所示。

      全橋采用六道一字形風(fēng)撐,截面為1.5m的正方形,壁厚16mm,如圖3所示。

      2 拱肋穩(wěn)定分析方法

      該橋在設(shè)計(jì)中,計(jì)算拱肋的整體穩(wěn)定系數(shù)是關(guān)鍵的環(huán)節(jié),且橫向穩(wěn)定性是尤為重要的,一般情況下,橋主拱肋的面外剛度相對(duì)面內(nèi)剛度較小,橫撐的設(shè)計(jì)既要保證主拱的橫向穩(wěn)定,又要盡量簡(jiǎn)化構(gòu)造,方便施工,同時(shí)也減小行車(chē)時(shí)的壓抑感。

      根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017—2003)[1]第5.2.5-1、5.2.5-2條公式對(duì)拱肋考慮面內(nèi)、面外穩(wěn)定的承載力進(jìn)行驗(yàn)算,見(jiàn)式(1)。

      式中:φx、φy為拱肋面內(nèi)和面外穩(wěn)定系數(shù);λx、λy為拱肋面內(nèi)、面外長(zhǎng)細(xì)比;N'Ex、N'Ey為面內(nèi)外屈曲臨界荷載。

      因拱肋為變截面,且面內(nèi)有多根吊桿,面外有多道橫撐,面內(nèi)外的穩(wěn)定系數(shù)無(wú)法根據(jù)規(guī)范和理論公式直接得出,需借助有限元模型進(jìn)行屈曲分析,得到一階面內(nèi)外失穩(wěn)安全系數(shù),并求出屈曲臨界荷載,并反算構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比λ,見(jiàn)式(2)。計(jì)算出λ后,根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]的附錄C查表求出整體穩(wěn)定系數(shù)φx、φy。最后,則由式(1)求出拱肋考慮穩(wěn)定的承載力。本文并對(duì)不同數(shù)量的橫撐對(duì)拱的面內(nèi)外穩(wěn)定系數(shù)的影響進(jìn)行分析對(duì)比。

      3 整體穩(wěn)定分析

      分別建立以下五組模型進(jìn)行整體穩(wěn)定分析(見(jiàn)圖4~圖6):

      表1 拱肋截面特性

      圖1 全橋總體布置圖(單位:m)

      圖2 拱肋橫斷面(單位:mm)

      圖3 風(fēng)撐橫斷面(單位:mm)

      圖4 模型1(裸拱)

      圖5 模型5(六道橫撐)

      圖6 模型2~5屈曲分析拱肋軸力(單位:kN)

      (1)模型1:分別取不同尺寸的等截面裸拱模型與實(shí)際變截面裸拱模型進(jìn)行對(duì)比,拱腳固結(jié),以便求出變截面拱肋的等效等截面尺寸。

      (2)模型2:在成橋模型的基礎(chǔ)上,去掉所有橫撐。

      (3)模型3:在成橋模型的基礎(chǔ)上,只保留L/2處的橫撐。

      (4)模型4:在成橋模型的基礎(chǔ)上,分別保留L/4、L/2處的三道橫撐以及保留3L/8、L/2處的三道橫撐。

      (5)模型5:成橋模型,六道橫撐。

      通過(guò)對(duì)模型1的等截面取不同位置的截面進(jìn)行試算可知,拱肋變截面四分點(diǎn)處的截面可作為模型2~5等效截面,為了方便對(duì)比,取模型2~5四分點(diǎn)處的截面計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,各模型計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

      由表2可知:

      (1)模型1中,等截面模型的面內(nèi)穩(wěn)定系數(shù)與變截面模型基本相同;面外穩(wěn)定系數(shù)較變截面模型減小24%。

      裸拱面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為0.34~0.35,與規(guī)范中無(wú)鉸拱的面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)0.36基本吻合。等截面模型面外計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為0.55,較變截面模型增大13%;面外失穩(wěn)安全系數(shù)為13.4,較變截面模型減小26%。

      表2 模型1~5計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

      (2)模型2中,面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為0.23,失穩(wěn)安全系數(shù)為32.3,穩(wěn)定系數(shù)為0.9;面外計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為0.34,失穩(wěn)安全系數(shù)為7.2,穩(wěn)定系數(shù)為0.68。相對(duì)于模型1,面內(nèi)外計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)有顯著減小,分別減小34%和29%,面內(nèi)穩(wěn)定系數(shù)增大11%,面外穩(wěn)定系數(shù)增大52%??梢?jiàn),對(duì)提籃拱這類(lèi)型拱肋,主梁、吊桿的作用對(duì)面內(nèi)外穩(wěn)定提高明顯,且對(duì)面外穩(wěn)定提高尤為顯著。

      (3)模型3中,在拱肋L/2處設(shè)置一道橫撐,面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為0.22,失穩(wěn)安全系數(shù)為35.1,穩(wěn)定系數(shù)為0.9;面外計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為0.3,失穩(wěn)安全系數(shù)為9.1,穩(wěn)定系數(shù)為0.74。相對(duì)于模型2,面內(nèi)外計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)分別減小4%和11%,面內(nèi)外失穩(wěn)安全系數(shù)分別增大9%和27%,面內(nèi)穩(wěn)定系數(shù)不變,面外穩(wěn)定系數(shù)提高9%??梢?jiàn),相對(duì)于模型2,拱肋L/2處增加一道橫撐面內(nèi)穩(wěn)定影響較小,對(duì)面外穩(wěn)定提高較為明顯。

      (4)模型4中,拱肋內(nèi)設(shè)置三道橫撐,面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度、失穩(wěn)安全系數(shù)、穩(wěn)定系數(shù)分別為0.21、35.1、0.91,相對(duì)于模型3基本無(wú)變化。

      當(dāng)橫撐位于拱肋的3L/8、L/2處時(shí),面外計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為0.26,失穩(wěn)安全系數(shù)為11.6,穩(wěn)定系數(shù)為0.77。當(dāng)橫撐分別設(shè)置在L/4、L/2處,面外計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為0.24,失穩(wěn)安全系數(shù)為13.9,穩(wěn)定系數(shù)為0.82。

      相對(duì)于模型3,面外計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)分別減小13%和20%,失穩(wěn)安全系數(shù)分別增大27%和53%,面外穩(wěn)定系數(shù)分別提高4%和11%,變化較為明顯,可知在橫撐數(shù)量相同的情況下,四分點(diǎn)處設(shè)置橫撐對(duì)面外穩(wěn)定的提高作用更為顯著。

      (5)模型5中,拱肋內(nèi)設(shè)置六道橫撐,分別位于拱肋L/4、L/3、5L/12處,面外計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為0.22,失穩(wěn)安全系數(shù)為16.1,穩(wěn)定系數(shù)為0.83。相對(duì)于橫撐位于L/4的模型4,面內(nèi)穩(wěn)定無(wú)明顯變化,面外計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)減小7%,失穩(wěn)安全系數(shù)分別增大15%,面外穩(wěn)定系數(shù)分別提高1%??芍?dāng)橫撐到達(dá)一定數(shù)量時(shí),對(duì)面外穩(wěn)定作用趨于穩(wěn)定,不會(huì)再有顯著變化。

      (6)失穩(wěn)安全系數(shù)的變化相對(duì)于計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)、穩(wěn)定系數(shù)更為敏感,精度更高,各模型的一階面外失穩(wěn)模態(tài)如圖7所示。

      4 結(jié) 語(yǔ)

      (1)裸拱面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為0.34~0.35,與規(guī)范中無(wú)鉸拱的面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)0.36接近,面外計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為0.48~0.55。

      圖7 一階面外失穩(wěn)模態(tài)圖

      (2)對(duì)于提籃拱這類(lèi)型拱肋,主梁、吊桿的作用對(duì)面內(nèi)外穩(wěn)定作用明顯,且對(duì)面外穩(wěn)定提高尤為顯著。

      (3)橫撐對(duì)面外穩(wěn)定作用顯著,四分點(diǎn)處設(shè)置橫撐對(duì)面外穩(wěn)定的提高作用更為顯著;橫撐設(shè)置對(duì)面內(nèi)穩(wěn)定作用不明顯。

      (4)當(dāng)橫撐達(dá)到一定的數(shù)量后,對(duì)面外穩(wěn)定作用趨于穩(wěn)定,不會(huì)再有顯著變化。

      (5)失穩(wěn)安全系數(shù)的變化相對(duì)于計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)、穩(wěn)定系數(shù)更為敏感,精度更高。

      [1]GB50017—2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

      [2]劉玉鈴,蔡敏.風(fēng)撐設(shè)置對(duì)拱橋穩(wěn)定影響的分析研究[J].工程與建設(shè),2009,23(2):168-170.

      [3]黃奶清,時(shí)娜.橫撐布置形式對(duì)提籃拱穩(wěn)定影響[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,5(19):5-8.

      U441

      A

      1009-7716(2016)11-0055-03

      10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.11.015

      2016-06-22

      雷堅(jiān)(1981-),男,江西撫州人,工程師,從事橋梁設(shè)計(jì)工作。

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