拱肋线形偏差对CFST拱桥极限状态的影响研究

摘要：为探究不同拱肋线形偏差形式及幅值大小对大跨钢管混凝土拱桥极限状态的影响，文章以某主跨为457.6 m的中承式钢管混凝土拱桥为依托，利用ANSYS软件建立大桥仿真分析模型，对主拱双重非线性稳定及破坏路径进行分析。结果表明：拱肋线形偏差使主拱结构提前进入塑性发展区，且不同偏差类型对结构非线性稳定影响差异较大；偏差幅值以L/1 000为分化临界点，低于该值时，结构稳定性变化不明显，但偏差超过该值时，结构稳定性加速下降；各类偏差会使结构各塑性区域的发展产生不同程度的提前，而不改变其发展位置和顺序；就不同偏差形式对拱肋塑性发展区域的影响程度而言，由大到小排序为：面外反对称＞面外正对称＞面内反对称＞马鞍形＞面内正对称。

关键词：钢管混凝土拱桥；拱肋偏差；非线性稳定；破坏路径

中图分类号：U448.22" " "文献标识码：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.026

文章编号：1673-4874（2024）11-0083-03

0引言

钢管混凝土拱桥因其结构承载能力大，施工周期短，经济性好，造型优美等优势，在国内得到迅猛发展。为适应更大峡谷、河流区域的需要，此类桥梁跨径亦不断增大，目前钢管混凝土拱桥跨径已突破575 m，正式向600 m迈进。受限于缆索吊机吊重的影响，拱肋跨径越大，吊装节段数量越多，施工中出现线形偏差的几率也越大。拱作为一种偏心受压结构，其稳定性对偏差异常敏感，过大的拱肋偏差不仅使结构承载力急剧下降，甚至可能成为结构失效的主要原因。目前国内外学者对含偏差钢管混凝土拱桥承载力的影响开展了系列研究。

针对拱肋线形偏差对拱桥的影响，目前已有部分学者对此展开了研究。王俊华［1］以单元管模型为基础，分析了不同形式的竖向轴线偏差对成桥运营阶段的影响，研究结果表明反对称偏差影响最大，施工中应予以控制。梁岩等［2］以某钢筋混凝土拱桥为背景，分析了施工轴线偏差对主拱内力状态、抗裂、稳定性及变形的影响，结果表明轴线偏移对结构内力和稳定性影响较小，但对抗裂性能及稳定性影响较大。刘山洪等［3］针对拱轴线偏离对主拱内力及变形的影响，提出增加拱圈配重的方式，以改善拱圈的应力分布状态。王占峰等［4］分析了不同拱轴线偏差对主拱焊缝截面的影响，研究表明轴线偏差对钢管混凝土拱桥轴向力的影响相对较小，但在焊接截面位置，其弯矩和应力的变化却显著增大，特别是当偏差值超过10 cm时，弯矩和应力的增长幅度变得尤为明显。康海贵等［5］分析了拱轴线偏差对钢管混凝土拱桥结构可靠度的影响，结果表明轴线偏差按跨中截面影响线布载时，桥梁的可靠度指标最低。

综上所述，目前研究大多集中对结构静力状态的分析，对不同类型、不同幅值偏差下大跨径钢管混凝土拱桥非线性稳定承载力研究较少。为此，本文针对某大跨径钢管混凝土拱桥开展不同大小、不同类型偏差对钢管混凝土拱桥极限状态时非线性稳定及破坏路径的研究。

1工程概况

某主桥设计采用主跨为457.6 m的中承式钢管混凝土变截面桁架拱桥方案，拱轴线按悬链线设计，拱轴系数为1.45，矢跨比为1/4。拱肋断面为矩形截面，截面高度由拱脚13 m逐步过渡到拱顶7 m，单肋宽度为4 m，两肋中心距为30.6 m。大桥主弦管尺寸设计为1 320 mm×22 mm、1 320 mm×26 mm、1 320 mm×30 mm、1 320 mm×36 mm四种，横联管尺寸为762 mm×16 mm，腹杆尺寸设计为660 mm×12 mm、660 mm×16 mm、660 mm×22 mm三种。主桥钢材根据构件重要程度采用Q345D和Q390D两种，管内混凝土采用C60。

2有限元计算模型

2.1几何模型的建立

利用ANSYS软件建立大桥仿真分析模型，钢-混组合截面采用双单元法模拟，拱肋弦管、核心混凝土以及拱上立柱等采用Beam188单元模拟，吊杆采用Link10单元模拟，混凝土桥面板及拱脚三角板采用Shell63单元模拟，大桥拱脚固结。有限元仿真分析模型如图1所示。

2.2核心混凝土本构模型选取

作为钢-混组合截面，拱肋核心混凝土多处于三向受力状态，钢管界面约束越强，对整个截面的强度提升越显著。本文选取行业应用较为广泛的韩林海核心混凝土本构模型进行分析计算［6］，为考虑材料非线性的影响，选取ANSYS软件自带的多线性强化模型MISO进行核心混凝土模拟。

3偏差类型选取及分析工况

3.1偏差类型选取

拱肋偏差类型主要分为局部偏差和整体偏差，其中局部偏差多是由吊装引起的节段安装误差以及钢结构加工产生的制造误差，影响范围较小。而整体偏差则是拱轴线整体范围内偏离设计轴线，影响较大，为此本文选取后者进行研究。其中偏差几何分布，根据文献［7-8］推荐，按正弦函数进行模拟。本文偏差几何分布类型和模拟函数如表1所示。

3.2分析工况

为尽可能让本文研究内容反映实际施工状况的影响，以《公路工程质量检验评定标准》（JTG/F80-1-2017）［9］规定值5 cm为参照，选取工程中较易出现的四种偏差峰值和两个较大峰值进行计算分析，如表2所示。前四种计算工况分析结果能更好地指导现场作业施工，而较大偏差峰值计算工况能更全面地剖析偏差对非线性稳定的影响趋势。

4偏差对结构极限状态的影响研究

4.1偏差对结构非线性稳定的影响研究

为尽可能地使分析结果能反映拱桥在初始缺陷下的最不利状态，本文在进行活载布置时，按全桥半布。由于本文仿真模型考虑了双重非线性的影响，计算时采用牛顿-拉普森迭代法求解，非线性收敛准则同时采用位移范数与荷载范数，分别设置为0.05和0.01，稳定安全系数采用将恒载、活载一同放大的方法计算。

考虑双重非线性下，偏差对该桥稳定安全系数的影响如图2所示。限于篇幅，仅给出影响最大的面外轴线反对称偏差影响下拱顶节点的荷载系数-位移曲线，如图3所示。

由图2和图3分析可知：

（1）不同类型偏差对结构非线性稳定的影响差异显著，总体呈现出正对称偏差低于反对称偏差，拱桥面外轴线偏差影响大于面内高程偏差的趋势。五类偏差中，面外轴线反对称偏差影响最为显著。

（2）拱肋线形偏差过早使荷载系数-位移曲线由直线段进入曲线段，即结构提前进入塑性发展阶段，承载能力降低，可见结构极限承载能力与偏差幅值成负相关关系。

（3）主拱一经出现偏差，必将影响结构稳定性。当偏差幅值在小于L/1 000范围波动时，各类偏差形式对结构稳定性影响较小，控制在＜7%；当偏差幅值超过L/1 000时，结构稳定性加速下降。由此可认为，拱肋线形偏差以L/1 000为分化临界点，施工过程中应尽量将拱肋线形偏差控制在L/1 000以内。

4.2偏差对结构破坏路径的影响研究

为便于与有偏差的情况进行对比，首先分析大桥在无初始缺陷即无线形偏差下结构的破坏路径，结构达到极限状态时破坏全过程如图4所示，荷载系数如表3所示。

由图4和表3可知：当荷载系数为2.48时，拱脚A处下弦管底缘应力达到材料屈服极限，该处截面进入塑性状态，随着荷载不断增大，拱脚附近腹杆相继进入塑性工作状态，塑性区域向跨中发展；当荷载系数为2.93时，B处下弦管底缘材料应力达到屈服极限，A处塑性区域不断增大，导致结构刚度逐渐降低，变形亦显著增加；当荷载系数为3.10时，C处弦管及腹杆开始出现塑性区域，此时拱肋3L/8截面处材料应力迅速增加，结构刚度进一步降低；当荷载系数为3.22时，D处上弦管进入塑性区域，结构塑性区域增加至4处，结构临近丧失承载力状态；当荷载系数为3.30时，随着拱顶上弦管进入塑性区，结构拱肋刚度急剧降低，主拱向机动体系转变。由此可见，随着荷载的增加，塑性区域范围逐步扩大，最终荷载系数达到3.54时，结构转变为机动体系而最终发生破坏。

同样的，分析上述不同偏差形式下拱肋极限状态的破坏路径。鉴于篇幅有限，本文仅列出工况六即偏差幅值取L/500时对塑性区域发展的影响，结果如图5所示。

由图5可知，拱肋线形偏差的存在，并未改变拱肋塑性区域的发展历程与位置，但显著降低了各塑性区域的非线性稳定系数，使各构件提前进入塑性发展区域。就其影响程度而言，面外反对称偏差＞面外正对称偏差＞面内反对称偏差＞马鞍形偏差＞面内正对称偏差，可见以面外反对称偏差影响最甚，其使结构进入区域A的进程加速了14.3%。

5结语

本文以某主跨457.6 m的中承式钢管混凝土拱桥为依托，利用ANSYS软件建立大桥仿真分析模型，围绕不同类型偏差对大跨径钢管混凝土拱桥极限状态的影响进行了研究，得出主要结论如下：

（1）拱肋极限承载力与拱肋线形偏差幅值成负相关关系，拱肋线形偏差的存在使得拱肋提前进入塑性发展区；五种偏差类型中，面外反对称偏差对拱肋非线性稳定的影响最为显著。

（2）拱肋线形偏差以L/1 000为分化临界点，当偏差幅值在小于L/1 000范围波动时，各类偏差形式对结构稳定性影响较小，控制在＜7%；当偏差幅值超过L/1 000时，结构稳定性加速下降。

（3）拱肋线形偏差并不会改变拱肋塑性区域的发展历程与位置，但会显著降低各塑性区域的非线性稳定系数，使各构件提前进入塑性发展区域。

（4）就不同形式偏差对拱肋塑性发展区域的影响程度而言，面外反对称偏差＞面外正对称偏差＞面内反对称偏差＞马鞍形偏差＞面内正对称偏差，面外反对称偏差影响最甚，其使结构进入区域A的进程加速了14.3%。

参考文献：

［1］王俊华.钢管混凝土单圆管拱桥拱轴线偏差分析［J］.山西建筑，2012，38（28）：203-204.

［2］梁岩，罗小勇，欧娅.大跨径拱桥轴线横向偏差对结构的影响［J］.公路交通科技，2013，30（8）：92-95，112.

［3］刘山洪，李放，袁长红.拱轴线横向偏离对拱圈静力行为影响［J］.重庆交通学院学报，2007，26（1）：14-18.

［4］王占锋，翁光远，张松雷.某钢管混凝土拱桥拱肋拼装力学分析［J］.水利与建筑工程学报，2012，10（5）：33-36.

［5］康海贵，张晶，余大胜.钢管混凝土拱桥可靠度分析［J］.大连理工大学学报，2011，51（2）：226-229.

［6］韩林海，冯九斌．混凝土的本构关系模型及其在钢管混凝土数值分析中的应用［J］．哈尔滨建筑大学学报，1995（5）：26-32.

［7］沈尧兴，赵志军，华旭刚.大跨度钢管混凝土拱桥的稳定性分析［J］.西南交通大学学报，2003，38（6）：655-659.

［8］徐叶琴，陶伟明，郭乙木.钢管混凝土拱肋平面内荷载-位移分析［J］.低温建筑技术，2004（6）：47-48.

［9］JTG F80/1-2017，公路工程质量检验评定标准第一册土建工程（附条文说明）［S］.

2024-05-18

基金项目：广西重点研发计划“特大跨劲性骨架混凝土拱桥建造关键技术”（编号：桂科AB22036007）

作者简介：梁警（1989—），工程师，主要从事路桥施工技术管理工作。