考虑非线性影响的大跨度钢管混凝土拱桥的静风响应分析

杨万标　范存新

摘 要：以巫峡长江大桥为研究背景，分别研究几何非线性以及几何和材料双重非线性对大桥拱肋在静风荷载作用下内力与位移响应的影响。结果表明：在静风荷载作用下，几何非线性和双重非线性对该桥拱顶的横向位移和扭转位移以及拱肋的面外弯矩影响比较显著，故在进行大跨度钢管混凝土拱桥静风响应分析时不可忽略非线性的影响。

关键词：钢管混凝土拱桥；几何非线性；材料非线性；静风响应

中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：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

大跨度拱桥特别是大跨度钢管混凝土拱桥，因其施工方便、工期短、外形美观、承载能力好等一系列优点，越来越受到桥梁设计者的青睐。因此，有必要对大跨度钢管混凝土拱桥进行一系列的分析。文献[1]通过非线性对巫峡长江大桥地震反应影响的分析，表明几何非线性和材料非线性的影响都是不可忽略的。文献[2]对风荷载作用下某复合拱结构的几何非线性分析，结果表明风荷载作用下几何非线性对结构拱肋截面变化处的内力和变形影响较大，不可忽略。文献[3]通过对风荷载作用下大跨钢管混凝土拱桥反应几何非线性分析表明，风荷载作用下几何非线性对拱肋内力和位移影响较大，尤其是拱脚处径向弯矩和拱顶位移。文献[4]通过风荷载作用下的某钢管混凝土拱桥非线性稳定性分析表明，在风荷载作用下同时考虑几何非线性和材料非线性对钢管混凝土拱桥的稳定性影响很大。文献[5]也证明了考虑材料非线性后，静风临界风速要比不计入材料非线性的结果小。文献[6]通过对巫峡长江大桥的风致响应分析表明，几何非线性对大跨钢管混凝土拱桥的内力和变形都有一定的影响。而文献[6]并没有考虑材料非线性的影响，上述研究已表明材料非线性对大跨度钢管混凝土拱桥的影响也是不可忽略的。在文献[6]研究的基础上，文章将对跨径为460m的巫峡长江大桥进行静风响应进行研究，主要是通过增量-迭代方法求解几何非线性和几何材料双重非线性对静风响应的内力和位移的影响，得出一些有益结论，对中承式钢管混凝土拱桥的抗风研究和设计有一定的帮助。

1 大跨度钢管混凝土拱桥的非线性

1.1 几何非线性

在正常使用的情况下，大跨度钢管混凝土拱桥的几何非线性并不明显，但在风荷载的作用下会表现出非常明显的几何非线性[4-5]。研究发现钢管混凝土拱桥的几何非线性问题属于大位移小应变问题[1]。归纳来说，大跨度钢管混凝土拱桥的几何非线性主要来自以下的两个方面：大变形效应和轴力与弯矩组合引起的梁-柱效应。在ANSYS中通过大变形效应来考虑几何非线性的影响。

4 结束语

通过对大跨度钢管混凝土拱桥在静风荷载作用下，非线性对大跨度钢管混凝土拱桥的内力和位移响应影响的分析，可以得出以下几点结论：（1）静风荷载作用下，巫峡长江大桥的最大的横向位移、竖向位移、扭转位移均发生在拱顶，因而在横向水平风荷载作用下拱顶部位需加强设计。（2）静风荷载作用下，巫峡长江大桥最大的轴力和面内弯矩发生在背风侧拱肋下弦杆拱脚处，最大面外弯矩在背风侧拱肋上弦杆拱脚处。（3）从静风荷载作用下拱肋关键截面内力的非线性系数分析可以得到，无论是考虑几何非线性还是考虑几何材料双重非线性，两者对拱肋轴力影响并不很明显，其值约为1%-3%，可以忽略；对面内弯矩的影响的最大值约为16%；然而对面外弯矩的影响就非常明显了，就背风侧上弦杆而言就已经达到43%，故该向的非线性影响不可忽略。（4）静风荷载作用下，非线性对巫峡长江大桥竖向位移的影响并不是很明显。但考虑几何非线性和几何材料双重非线性后，结构的横向位移和扭转位移呈现增大趋势，尤其是考虑几何材料双重非线性影响后，结构横向位移和扭转位移的值要超过仅考虑几何非线性的情况。故在进行大跨度钢管混凝土拱桥静风响应分析时不可忽略非线性的影响。

参考文献

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[2]赵运革，李静，雷宏刚.风荷载作用下复合拱结构的几何非线性分析[A].建设工程安全理論与应用-首届中国中西部地区土木建筑学术年会论文集[C].郑州，2011：493-496.

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[6]冯玉珍.大跨度钢管混凝土拱桥风致响应分析[D].苏州：苏州科技学院硕士学位论文，2009.

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[11]罗雄.利用短期实际风速记录模拟极值风速及桥梁时域抖振分析[D].成都：西南交通大学，2002.

作者简介：杨万标 （1989-），男，江苏盐城人，硕士研究生。

*通讯作者：范存新（1968-），男，教授，博士，从事结构抗风、抗震研究。