大跨度钢箱梁斜拉桥施工阶段几何非线性分析

2017-11-22高鸽子

绿色环保建材 2017年8期

关键词：主塔钢箱梁斜拉桥

高鸽子

西安铁路职业技术学院

大跨度钢箱梁斜拉桥施工阶段几何非线性分析

高鸽子

西安铁路职业技术学院

作为一种高次超静定柔性受力体系，与连续梁和桁架梁相比较，斜拉桥特别是大跨度斜拉桥，几何非线性影响较为突出，而且影响因素也较多。本文以主跨跨径680m的双塔双索面钢箱梁斜拉桥为例，采用Midas Civil建立有限元模型，对斜拉桥的在温度荷载和车辆荷载作用下几何非线性和线性计算结果做了详尽的对比分析。线性计算时，模型中的主梁和主塔采用梁单元，斜拉索采用桁架单元来模拟；非线性计算时，模型中的主梁和主塔采用梁单元，斜拉索采用索单元来模拟。

斜拉桥；几何非线性；有限元；静力分析

1 概述

斜拉桥是塔、梁、索三种基本构件组成的缆索承重结构体系，属于高次超静定柔性结构[1]。与连续梁和桁架梁的结构分析相比较，几何非线性影响突出且影响因素多[2][3]。特别是对特大跨度的斜拉桥来说，主要表现在以下几个方面:(1)斜拉索较长，索自重产生的垂度大，索的伸长量与索内拉力不成比例关系；(2)整个结构的几何变形也较大，大变形问题很突出。(3)轴向力与弯矩相互作用的影响，使得大跨度斜拉桥的几何非线性分析显得较为复杂。因此，对斜拉桥进行几何非线性分析是必要的。

本文以某长江大桥为模型，用非线性有限元方法对钢箱梁斜拉桥在施工阶段和使用阶段由汽车活载及温致效应所导致的几何非线性效应分别进行了分析。

2 模型介绍

斜拉桥整体结构模型可分为几何模拟、刚度模拟、边界模拟、力的模拟、施工模拟这五个方面[4]。采用有限元分析软件Mi⁃das Civil软件进行建模，具体单元选择介绍如下。在几何非线性计算中，Midas采用了CR列式[4]，这种方法有效地考虑了梁端大转角的情况。

该长江大桥主桥上部结构为双塔双索面5跨连续钢箱梁斜拉桥，采用半漂浮结构体系。主梁采用正交异性桥面板流线型扁平钢箱梁，斜拉索采用平行钢绞线拉索。斜拉索在钢箱梁上的锚固采用了锚拉板结构形式。桥塔采用组合式桥塔，分为上中下三部分。下部是整体箱形塔墩、上部为钻石型钢筋混凝土塔架，横梁将塔柱联成整体。模型如下。

图1 全桥有限元模型

2.1 斜拉索单元

在线性计算时，采用桁架单元模拟斜拉索单元。仅考虑索单元引起的非线性影响时采用Ernst修正弹性模量的方法模拟多单元[2][3]，当考虑到几种几何非线性因素共同作用时，采用悬链线索单元来模拟。

2.2 桥塔单元

斜拉桥主塔模拟方法较为单一，即将桥塔视为理想的抗弯、抗剪、抗扭和抗轴力的均匀构件，采用三维梁单元来模拟。塔单元的划分不宜太粗，通常为3m到4m为一个单元。

2.3 主梁

本文中该桥主梁采用闭口钢箱梁，有限元模型选用“鱼骨”模式。该方法的特点是，用位于截面扭转中心的梁单元模拟主梁，主梁的刚度(竖向、横向挠曲刚度，扭转刚度)和质量(平动质量和转动惯量)都集中在中间节点上，主梁与斜拉索之间通过主梁横向伸出的准刚性单元或刚性单元来连接，几何模式如同“鱼骨”[5][6]。

3 施工阶段几何非线性分析

考虑收缩徐变，分析施工阶段几何非线性，计算中，将收缩徐变和几何非线性效应进行了耦合计算，按照实际的施工过程对斜拉桥进行了正装计算。并对主梁弯矩、挠度、应力，主塔弯矩、顺桥向位移、应力，成桥索力在考虑非线性和不考虑非线性两种情况下进行了对比分析。

从线性和非线性计算的对比结果可以看出，考虑非线性时，主梁弯矩最大处增大了8.35%，上缘应力最大处减小了2.14%，主梁下缘应力最大处增大了4.32%，主梁跨中竖向位移增大了7.07%。主梁轴力基本没有变化，但弯矩变化较大。这是由于斜拉桥主梁是受压为主的构件，由于斜拉桥斜拉索在主梁上产生了巨大的轴向力，虽然主梁弯矩变化较大，但是轴力变化较小，所以主梁的应力变化较小。

南主塔在考虑非线性影响下，最大弯矩增大了20.22%；北塔在考虑非线性影响下，最大弯矩增大了11.1%；南塔在考虑非线性情况下最大位移处增大了11.21%；北塔在考虑非线性影响下，最大位移处增大了0.21%；在轴力和应力方面，南北主塔的变化幅度均较小，不超过1%。出现这种情况的主要原因是由于主塔是压弯构件，