大跨度钢-混凝土组合桥梁承载能力分析

2013-08-15曹珊珊

中国建筑金属结构 2013年6期

曹珊珊

（广东省公路工程质量监测中心，广东广州 510500）

1 钢—混组合桥梁工作原理及特点

1.1 钢—混组合桥梁工作原理

钢—混凝土组合桥梁就是利用钢与混凝土两种材料在运行时期的不同受力特性来有效的提高桥梁的整体承载能力。桥梁承载过程中，钢体能够对混凝土起到一定的约束作用，提高混凝土的强度，同时也间接提高了混凝土的塑性和韧度；同时，在混凝土的保护下，一方面避免了钢筋受到侵蚀而降低强度，另一方面也避免钢体过早的发生局部屈曲，从而使得钢体性能得到有效的发挥，钢体与混凝土共同达到受力，提高了桥梁的承载能力。

1.2 钢-混组合桥梁的特点

根据上述分析可知，钢—混凝土组合桥梁具备以下特点：

（1）桥梁承载能力得到显著的增强。由于钢体的存在，使得混凝土三向受压，改变了混凝土的受力性态，提高了其承载力，同时混凝土也保证了钢管的局部稳定性，两者共同受力提供了桥梁的稳定性；

（2）提高桥梁的塑性和韧性。钢体具有良好的延展性及抵抗大变形的能力，而混凝土仅仅具有较好的抗压性能，抗拉及抗弯性能差，通过钢筋与混凝土的搭配，在一定程度上提高了混凝土的抗变形能力，有利于桥梁的稳定性，尤其在动荷载的影响下。

（3）钢—混凝土构件也具有良好的耐冲击力性能；

（4）提高了桥梁的经济性。混凝土的价格要比钢材低很多，通过理论分析与实践验证能够发现，采用钢混结构的桥梁要比单纯采用钢结构的桥梁费用低50%左右。

2 大跨度钢-混凝土组合桥梁承载能力分析方法

2.1 极限承载力理论

当结构在一定的荷载影响下而造成其部分功能或完全无法满足使用功能的时候，这种状态称之为结构的极限状态，可以细分为承载能力极限状态和正常使用的极限状态。其中，前者是指结构丧失了继续承载的能力，后者是指结构无法满足正常使用的状态，结构承载能力的详细分析对于保证结构的安全运营具有重要的作用，是结构设计的基础分析，对于桥梁结构通过分析能够初步确定出桥梁的最危险荷载以及发生破坏的形式和发展规律，从而留出安全裕度，保证运行过程中安全性。

2.2 承载力分析的相关理论及方法

承载能力的分析重点是对于结构是否稳定的分析，是结构分析的重要组成部分，随着我国在结构领域的新技术、新材料的不断应用，大跨度的桥梁以其优越性得到广泛的发展，而大跨度结构所具有的几何特性以及材料非线性特征使得其承载力往往由稳定性所控制。其失稳破坏往往没有任何征兆的是突然性的破坏，这使得桥梁一旦失稳将可能造成重大的人员伤亡及财产损失，因此，采取严格的方法对桥梁承载里进行分析具有重要的现实意义。

2.2.1 稳定分析理论

结构的失稳一定是在一定的外力作用下发生的，在外力如强风、地震以及车载偏压等影响下，导致结构的受力突然增大发生或局部受力不均衡，从而使得结构发生失稳、破坏的情况，一般来说，根据失稳性质的不同可以分为第一类稳定和第二类稳定。第一类稳定问题即受压构件轴向压力达到临界值时，受力平衡仍有可能成立，这与第二类稳定问题即受弯平衡有较大关系，结构从加载开始就在弯矩较大的方向或者存在潜在缺陷的地方产生一定的侧向变形，结构在加载前可能保持一定的平衡，但随着加载的持续，使得结构变形持续增大，当结构发生塑性破坏后，变形突然增大，即使荷载不变，结构也将很快出现失稳，使结构达到塑性破坏时的荷载即为极限荷载。严格的说，由于结构在一开始制作过程中必然存在的安装方面的误差、荷载结构受力的不同以及材料天生的缺陷，从而第一类稳定是不可能存在的，所以，结构的失稳一般是指第二类稳定问题，此时的失稳荷载即为结构的极限承载力。

2.2.2 非线性屈曲分析

钢—混凝土组合桥梁的稳定性分析有三种方法：特征值屈曲分析、几何非线性屈曲分析、双重非线性屈曲分析。

（1）特征值屈曲分析。特征值屈曲分析主要针对的是理想的弹性结构体所采用的分析方式，在分析过程中无法考虑材料的非线性影响以及荷载对他的初始扰动问题。但实际结构中必然存在缺陷和非线性的影响，因此，特征值屈曲分析的分析结果偏于保守。

（2）几何非线性屈曲分析。对于大跨度的钢混组合桥梁，当荷载逐渐增大时，结构的变形也必然随之增大，当荷载达到一定值后，结构能够承受的变形达到最大，此时，即使较小的荷载也会使得结构出现大变形并破坏，这时结构到的变形即为非线性的变形问题，必须采用几何非线性屈曲分析进行研究。

（3）双重非线性有限元法。钢混组合桥在经受超荷载作用时，可能会在局部产生超限的问题，局部的损失最终可能会导致整个结构的破坏。当应力超过弹性极限后，即为材料的非线性问题，这时分析中既要考虑非线性的本构方程同时也靠考虑本线性的几何方程，在两者同时引入到分析中，建立比线弹性和材料非线性本构方程更为广泛的双重非线性本构方程，双重非线性本构方程更加符合桥梁发生破坏前的受力特征，使得分析具有更高的准确性。