多拱肋寬恕異形鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析

多拱肋寬恕異形鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析

1異形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論研究傳統(tǒng)拱橋的拱角是一個(gè)對(duì)稱(chēng)的曲線，拱角位于垂直平面上，平面上的支撐邊界垂直于拱角的軸線。在不符合上述條件的拱橋中，是形狀彎曲的拱橋。多拱肋寬幅異形鋼管混凝土拱橋造型優(yōu)美,不僅滿(mǎn)足寬幅橋梁使用需求,而且多個(gè)拱肋平面構(gòu)成不同視覺(jué)效果,在城市和有景觀要求的地區(qū)被越來(lái)越多地采用。但由于其造型特殊,特別是結(jié)構(gòu)中柔性可調(diào)構(gòu)件多,受力及變形復(fù)雜,相關(guān)理論研究不多,相互借鑒性小,導(dǎo)致設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)靜力行為的影響規(guī)律不易把握。目前,針對(duì)異形拱橋結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究還沒(méi)有普通拱橋那么廣泛,多數(shù)研究利用數(shù)值方法對(duì)關(guān)鍵施工步驟、特殊構(gòu)件的力學(xué)行為進(jìn)行分析。此外,還有一些研究對(duì)合理成橋狀態(tài)及吊桿張拉、異形拱橋的施工控制等進(jìn)行了詳細(xì)分析研究。在這些研究中,有關(guān)異形拱橋設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為影響的討論還不多。該文以某多拱肋寬幅異形鋼管混凝土拱橋?yàn)楣こ桃劳?利用ALGOR軟件建立精細(xì)有限元模型,研究二期恒載、整體升降溫、拱肋鋼管內(nèi)填混凝土、拱肋鋼管壁厚、索力(包括中吊桿、邊吊桿及水平拉索)等單因素設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)變形、受力的影響;在此基礎(chǔ)上,以邊拱拱頂應(yīng)力為例,探討多拱肋寬幅異形鋼管混凝土拱橋多參數(shù)對(duì)其靜力行為的敏感性。2梁骨錨桿吊桿設(shè)置某多拱肋寬幅異形鋼管混凝土拱橋?yàn)閱慰?8m、全寬59m的三索面鋼管混凝土系桿拱橋。拱肋為3根?1.5m鋼管組成的空間結(jié)構(gòu),中拱位于豎直面內(nèi),邊拱與豎直平面間的夾角為18.925°,中、邊拱肋軸線均采用二次拋物線,起拱點(diǎn)間距離均為75m,中拱肋矢高為25m、矢跨比為1/3,邊拱拱平面內(nèi)矢高為37m、矢跨比為1/2.207;拱頂?shù)鯒U耳板范圍內(nèi)板厚為40mm,其余采用36mm,拱內(nèi)填C50微膨脹混凝土。拱橋吊桿采用三索面布置,中拱及兩邊拱分別有11根吊桿,共有PES7-37、PES7-55兩種規(guī)格,順橋向吊桿在主梁和拱肋上的錨點(diǎn)間距分別為6、2.5m,邊拱吊桿和中拱吊桿以橋梁縱、橫向中線為對(duì)稱(chēng)軸,編號(hào)由拱頂向拱腳分別記為B0～B5、M0～M5。邊拱與中拱間采用剛性斜拉桿連接,斜拉桿分工字形和閉口箱形兩種,剛性斜拉桿關(guān)于橋梁縱橫向中線對(duì)稱(chēng),編號(hào)由拱腳向拱頂記為W1～W11。邊拱鋼管之間通過(guò)PES5-37的水平拉索相連,水平拉索以跨中為對(duì)稱(chēng)軸,編號(hào)由拱腳向拱頂記為T(mén)1～T11,各構(gòu)件的編號(hào)及位置詳見(jiàn)圖1。拱座布置于7m寬的中央分隔帶內(nèi)。主梁采用縱橫梁格體系的鋼-混組合梁截面形式,其中鋼梁高度為2.75m(道路標(biāo)高處),混凝土橋面板厚度為0.25m,采用預(yù)制結(jié)構(gòu);根據(jù)鋼梁截面形式,縱梁分為主縱梁、次縱梁和小縱梁共3種,截面形式有閉口箱形、槽形、工字形3種形式;每側(cè)端橫梁下設(shè)置6個(gè)球形鋼支座。圖1為大橋的立、平和側(cè)面布置圖,該橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造型特殊,設(shè)計(jì)參數(shù)的確定缺少類(lèi)似橋梁工程參考,可調(diào)構(gòu)件如邊拱、中拱吊桿以及水平拉索等對(duì)結(jié)構(gòu)的受力和變形等力學(xué)行為影響不易把握。3有限模型和分析描述3.1有限模型采用大型通用有限元軟件ALGOR建立大橋整體精細(xì)有限元模型,將縱橋向、橫橋向和重力負(fù)方向記為3.2關(guān)鍵截面索力分析影響該橋靜力力學(xué)行為的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以分為3類(lèi):第1類(lèi)為結(jié)構(gòu)幾何參數(shù),如鋼管壁厚由于該橋?qū)ΨQ(chēng),為了探討這些參數(shù)對(duì)多拱肋寬幅異形鋼管混凝土拱橋靜力行為的影響,選取邊、中拱肋的拱腳、1/4跨和拱頂作為關(guān)鍵截面,分別記為BGJ、BG/4、BGD及ZGJ、ZG/4、ZGD;鋼混組合梁選取跨中截面,記為ZHL/2;此外,選擇一半的邊拱吊桿(B0～B5)、中拱吊桿(M0～M5)和兩邊拱水平拉索(T1～T11)索力分析參數(shù)變化對(duì)可調(diào)桿件的影響(具體桿件編號(hào)見(jiàn)圖1)。針對(duì)上述參數(shù),以原設(shè)計(jì)為基準(zhǔn),取參數(shù)變化幅度為±10%,進(jìn)行單因素敏感性分析,通過(guò)分析對(duì)比歸納這些參數(shù)對(duì)關(guān)鍵截面的變形、應(yīng)力以及永存索力的影響。然后,依據(jù)單因素分析確定較敏感的參數(shù),考慮多因素交叉影響,探討多參數(shù)對(duì)多拱肋寬幅異形鋼管混凝土拱橋靜力行為的敏感性。4單因素的敏感性分析4.1拱肋及其共拱肋應(yīng)力鑒于大橋的主要施工過(guò)程在支架上完成,且為了探討設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)靜力行為的敏感性,數(shù)值分析沒(méi)有考慮施工過(guò)程,拱肋吊桿和水平拉索按照成橋索力張拉,一次成橋進(jìn)行分析。限于篇幅,圖2僅給出了大橋整體豎向變形、鋼構(gòu)件VonMises應(yīng)力、可調(diào)構(gòu)件(吊桿、拉索等桿單元)的永存應(yīng)力。由圖2可知:大橋鋼混主梁的豎向變形最大部位為跨中靠外側(cè)區(qū)域,最大下?lián)?75.6mm。三拱肋豎向呈現(xiàn)“M”形變形:邊拱肋拱頂下?lián)?43.9mm,1/4跨上撓15.1mm;中拱肋拱頂下?lián)?32.4mm,1/4跨上撓12.8mm。由于邊拱與豎直平面間夾角為18.925°,因此邊拱拱頂橫向外傾變形10.3mm。邊拱拱肋鋼管拱頂和拱腳VonMises應(yīng)力:頂面分別為80.3、114.5MPa,底面分別為53.5、83.0MPa。中拱拱肋鋼管拱頂和拱腳VonMises應(yīng)力:頂面分別為75.5、104.4MPa,底面分別為49.9、102.1MPa。永存應(yīng)力最大的邊吊桿和水平拉索均為最長(zhǎng)索,其中邊拱肋吊桿應(yīng)力最大為B5(516.5MPa),中拱肋吊桿應(yīng)力最大為M3(511.9MPa);拱頂?shù)乃嚼鲬?yīng)力最大為T(mén)11(605.1MPa)。分析還表明:拱肋中混凝土的正應(yīng)力和主應(yīng)力分布與鋼管應(yīng)力分布有類(lèi)似規(guī)律,即比較拱腳和拱頂截面的混凝土正應(yīng)力和主應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于拱肋頂、底面應(yīng)力,均為拱腳部位大于拱頂部位。4.2參數(shù)的敏感性分析4.2.1結(jié)構(gòu)靜力行為影響依據(jù)前述,幾何參數(shù)主要考慮鋼管壁厚由表1可知:幾何參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)靜力行為有一定影響:①鋼管管壁厚度由上述分析可以看出:幾何參數(shù)變化對(duì)拱肋和鋼主梁變形、應(yīng)力有一定影響,但對(duì)吊桿和水平拉索的影響較小,且?guī)缀螀?shù)變小對(duì)結(jié)構(gòu)靜力行為的影響相對(duì)顯著。4.2.2環(huán)境參數(shù)環(huán)境參數(shù)考慮了結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件的整體升降溫影響,圖3～5為溫度參數(shù)由圖3～5可以看出:環(huán)境參數(shù)整體升降溫4.2.3桿吊桿及水平拉索張拉力的影響索構(gòu)件張拉力參數(shù)主要指邊拱、中拱吊桿以及水平拉索中主動(dòng)張拉力。分析中分別按照邊拱、中拱吊桿和水平拉索索力整體變化分析張拉力參數(shù)的影響。限于篇幅,圖6僅給出部分結(jié)果。圖6表明:中拱吊桿和水平拉索的張拉力對(duì)鋼管和鋼主梁應(yīng)力影響很小;邊拱、中拱吊桿以及水平拉索的張拉力對(duì)拱肋豎向變形影響小,但對(duì)邊拱橫向變形影響較顯著;此外,邊拱吊桿對(duì)中拱吊桿和水平拉索的永存應(yīng)力影響大。因此,對(duì)水平拉索和中拱吊桿永存應(yīng)力影響顯著的參數(shù)為邊拱吊桿張拉力,水平拉索和中拱吊桿張拉力對(duì)邊拱吊桿永存應(yīng)力影響很小,對(duì)拱肋橫向變形敏感的參數(shù)為邊拱吊桿、中拱吊桿和水平拉索的張拉力。4.3力學(xué)響應(yīng)敏感性分析對(duì)于復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu),力學(xué)行為規(guī)律復(fù)雜,僅通過(guò)單參數(shù)分析很難說(shuō)明參數(shù)之間的交叉影響。為了探討多參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)某力學(xué)響應(yīng)的敏感性,可以應(yīng)用Design-Expert軟件進(jìn)行多參數(shù)的回歸分析。限于篇幅,以邊拱拱頂?shù)捻斆鎽?yīng)力數(shù)水平值1(-1)分別代表參數(shù)的高水平(低水平)取值,1.82(-1.82)為軟件生成的參數(shù)水平放大系數(shù),0表示原設(shè)計(jì)值,經(jīng)過(guò)多參數(shù)組合后得到由表2可得:整體升降溫=79.35-2.48式中:5結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析多拱肋寬幅異形鋼管混凝土拱橋的結(jié)構(gòu)參數(shù)可分為幾何參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和索構(gòu)件張拉力參數(shù)3類(lèi),該文分析了單參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)靜力行為的敏感性,并對(duì)多參數(shù)交叉影響進(jìn)行探討。主要結(jié)論如下:(1)一次成橋分析顯示多拱肋寬幅異形鋼管混凝土拱橋的各拱肋豎向呈現(xiàn)“M”形變形,永存應(yīng)力最大的邊吊桿和水平拉索均為最長(zhǎng)索,中拱肋吊桿最大永存應(yīng)力為1/4跨吊桿。(2)幾何參數(shù)變化對(duì)拱肋和鋼主梁變形、應(yīng)力有一定影響,但對(duì)吊桿和水平拉索的影響較小,且?guī)缀螀?shù)變小對(duì)結(jié)構(gòu)靜力行為的影響相對(duì)顯著。(3)整體升降溫對(duì)邊、中拱拱頂豎向變形和邊(中)拱拱頂、拱腳頂面的應(yīng)力影響較大,對(duì)1/4跨附近的水