钢箱拱桥失效机理及设计方法范文

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《涟钢科技与管理》2017年第5期

摘要:桥梁工程是我国交通发展的基础工程，随着人们生活质量的不断提高，人们对桥梁的关注点不仅仅是桥梁结构的稳定性更是桥梁的美观性，钢箱拱桥就可以很好的满足这些要求，不但可以有很好的外观，而且结构稳定性也非常强，但是在钢箱拱桥中也存在很多的静力失效形式，其中屈曲失稳是主要的形式之一，也就是我们经常说的地震。当前，一些专家在进行钢箱拱桥的失效机理研究时主要采用方法的是建立杆系有限元模型，利用弯矩曲率模型或者纤维模型的弹塑性大变形理论对钢箱拱桥的结构形式进行研究，但是在采用这种方法进行研究时，很多人都忽略了局部屈曲对钢板的影响，而钢箱拱桥的拱肋截面就是由这些钢板组成的，这也是引起钢箱拱桥失效的主要原因。

关键词:钢箱拱桥；板壳模型；纤维模型；稳定性能；极限承载能力钢箱拱桥在我国的桥梁工程中应用主要是因为高强度吊杆的出现，高强度吊杆不仅提高了钢箱拱桥的结构稳定性还使钢箱拱桥的很多新式结构能够在桥梁施工中被应用。随着我国桥梁施工技术的不断成熟，目前的钢箱拱桥吊杆是由高强度钢丝的组合而成的，这些高强度钢丝应用在钢箱拱桥中很好的展现了力学的特点，吊杆的布置方式存在很大的可变性，这也是钢箱拱桥的外观受到很多人的欣赏。因此，在钢箱拱桥的施工过程中，一定要对拱桥的吊杆、拱肋等问题加强重视，不断提高结构的温度性，促进钢箱拱桥在我国桥梁施工中的应用和发展。

1钢箱节段结构极限状态研究

1．1单调荷载作用下的极限状态

通过对钢箱拱桥结构荷载位移曲线的研究可以发现，在单调荷载的作用下，如果荷载达到了最大值，那么荷载最大值附近的钢板就会在应力的作用下发生变形，变形的增大也会促进结构承载能力的降低。在钢箱拱桥的施工中使用到的钢材都是延展性非常优越的钢材，本文对钢箱拱桥结构荷载位移曲线的研究选取的是承载力达到最高点以后的状态作为轻度失效的状态来对结构的极限应变进行分析。通过研究得知，在结构受到不同的轴力作用时，结构出现的极限状态会比较相近，发生变形时的状态也基本一致。如果荷载达到了最高点，钢箱拱桥中的立柱结构就会出现不稳定的现象，而拱桥中的很多腹板的结构厚度都要比翼缘板的厚度小，所以在发生变形时，也是腹板比翼缘板先出现变形状态。

1．2纤维模型与板壳模型的差异

在钢箱拱桥采用纤维模型和板壳模型对抗震性能进行分析，得到的最大荷载系数。通过研究可以发现，板壳模型的最大荷载系数要比纤维模型的荷载系数大，但是系数值的相差度也不是特别高，主要是因为在采用纤维模型对钢箱拱桥的钢板进行变形计算时没有将后期的承载力计算在内，得到的结果也没有明显的变化。

1．3极限压应变与轴压比的关系

在不同的轴力作用下，板壳模型的计算数值和结果都存在很大的差异，具体情况如下图所示。从图中可以得知，在受到不同轴力的影响下，板壳模型的滞回曲线的面积虽然有很大的区别，但是滞回曲线的形状是程一定的规律的。从试验得出，轴压和滞回环的表面积成反比，在受到的轴压比较小时，滞回环的面积就会增大，而在受到的轴压比较大时，滞回环的面积就会相对减小。

2钢箱拱桥在地震作用下的失效机理研究

2．1结构地震反应和失效特性

在对钢箱拱桥的抗震能力进行计算时，采用板壳单元的计算方式时，无法从计算模型中直接将轴力提取出来，想要对轴力进行提取还需要进行截面应力和面积的分析，对采用纤维模型计算，拱肋和立柱的轴力变化进行适当分析，通过分析可以得知，在地震波的影响下，拱肋轴力变化范围在0.05－0.4Ny之间，立柱轴力变化范围在0－0.15Ny之间，边立柱的轴力变化比中间立柱大。分析结果可以得知，在对钢箱拱桥的抗震能力进行计算时，需要将这种轴力对计算结果的影响考虑到工程的设计中，避免出现考虑不周而造成的结构不稳定。

2．2最大压应变与平均极限压应变

本文通过对以往众多资料的查阅，发现很多专家在对钢箱拱桥的抗震性能进行计算时采用的是极限应变的计算方法，这种方法虽然比较常用，但是方法的有效性却没有得到相应的验证。因此，本文利用以往的一些专家在计算时得到的结果对这种计算方法的可行性进行了适当的分析。原因是这两个立柱在地震作用下受到的破坏力比较大，这两个立柱上个单元最大压应变发生单元的应变时程曲线。最大压缩应变以及残余压应变计算结果的对比。在钢箱拱桥的抗震性能计算时，采用板壳模型的计算方式是比采用纤维模型的计算方式得到的结果要大，这就说明，在桥梁结构的塑性状态下，桥梁结构发生变形时的变形应力比较集中，出现的残余应力也比较大，而在纤维模型的计算方式下，桥梁结构发生变形时的应力会比较分散，残余应力也相对较小。也就是说在地震作用下，对桥梁结构的损坏比较小时，采用板壳模型和纤维模型对破坏力进行计算时的差异比较小，而在地震作用的破坏力比较大时，差异就比较大，因此，在对桥梁结构的抗震性能进行计算时，如果地震的破坏力较小时采用这两种计算方式都是可行的，但是在地震的破坏力较大时，建议采用纤维模型进行计算，采用这种方式可以得到更加精确的结果。

2．3钢箱拱桥抗震性能验算方法的建议

近些年，我国的科学技术不断发展，钢箱拱桥结构中的抗振性能计算方式也在发生着变化，随着有限元技术越来越成熟，我国的很多桥梁在地震作用下的破坏可以通过计算的方式进行，一些专家在发现结构上的缺陷和非线性因素对桥梁结构稳定性的影响之后，开始采用三维弹塑性有限元模型展开对地震作用下桥梁的失效机理进行计算和分析。这种三维弹塑性有限元模型可以很好对钢箱拱桥的失效机理进行计算，分析出的结果也比较准确，但是，如果对钢箱拱桥的有限元模型的计算比较复杂时，在工程的设计中，这种复杂的建模过程实现起来就非常困难了，而且纤维模型在计算中量相对较小，通过一些研究可以发现，纤维模型的计算准确度还是比较高的，在钢箱拱桥的抗震能力计算时可行性比较高。在钢箱拱桥的抗震能力计算时，存在一些塑性应变比较大区域，对这些区域进行计算时需要准确的找出极限塑性应变的数值，但是到目前为止，仍然没有一个完善的方法可以对这项数值进行确定，而目前的计算中应用的平均法虽然可以得到相对准确的数值，但是仍然不能满足极限塑性应变值与破坏区域之间的随意性的关系。因此，在对钢箱拱桥的结构抗振性能进行计算时，在不同的区域采用不用的计算方式，以提高抗震计算的准确性，比如说，在拱脚和立柱的计算时采用板壳单元，其他的一些部位可以采用纤维模型，提高模型在计算中的可靠性，在这些数值应用到工程的设计中以后，给后续的工程施工也奠定了基础。

3结束语

综上所述，随着钢箱拱桥在我国的桥梁施工中应用越来越广泛，人们对于桥梁结构稳定性问题的关注度持续增长，而影响钢箱拱桥结构稳定性，造成失效的因素非常多而且也非常的复杂，本文只是对其中的一小部分进行分析，结合钢箱拱桥的施工具体情况来看，钢箱拱桥结构的受力情况比较简单，但是从每个结构的不同来说，钢箱拱桥的受力结构又非常的复杂，而且具有一定的非线性特征。钢箱拱桥的钢板非常容易在某些情况下发生屈曲和损坏，比如说在焊缝、温度以及残余应力的作用下失效情况也是不同的，对结构的受力情况也会产生影响。因此在对钢箱拱桥进行设计时，需要将这些情况都考虑到施工中，避免出现钢箱拱桥的结构不稳定，造成安全隐患。

参考文献

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［2］吝红育．部分填充混凝土矩形钢管桁架力学性能及桥梁应用研究［D］．长安大学，2011．

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［4］钟昌桂．石武客运专线郑州黄河公铁两用大桥结构仿真分析［D］．西南交通大学，2011．

［5］林杰．桥梁钢结构防腐蚀涂层保护、失效规律及其寿命预测研究［D］．长安大学，2006.

作者：王阳 单位：河北建设集团卓诚路桥工程有限公司