第１６卷第２期
中國公路學報
２００３年４月
ａｐｒ２００３
文章編號
大跨度拱橋極限承載力的引數研究
程進，，江見鯨「，肖汝誠『，項海帆，
（ｉ．同濟大學橋梁工程系，上海
２０００９２；２．清華大學土木工程系，北京
１０００８４）
摘要：回顧了三種分析大跨度拱橋極限承載力的方法；以上海在建的主跨５５０ｍ的中承式鑰拱
橋為例，運用大型有限元分析軟體ａｎｓｙｓ對該橋的極限承載力進行了引數分析與比較，給出影響大跨度拱橋極限承載力的主要引數。關鍵詞：橋梁工程；大跨度拱橋；有限元；極限承載力；引數研究中圖分類號：
ｕ４４８．２２文獻標識碼：ａ
１工程背景
證結構安全性的依據；有些重要結構在無法了解結構
，這樣進行結構的設計和建造，拱橋，如圖１所示。該橋跨徑組合為１００ｍ＋５５０ｍ十勢必存在大量的隱患和浪費。因此，開展對大跨度拱１００ｍ，橋面寬３６ｔｏ，矢跨比主橋邊跨橋極限承載力的研究是十分重要的。
採用跨徑為１００ｍ的上承式拱梁結構，兩邊跨橫樑之間布置強大的水平拉索，以平衡主跨拱肋的水平推２分析方法ｃ１－４１
力。橋面以下拱軸線為三次拋物線，橋面以上拱軸線目前，大跨度拱橋極限承載力常用分析方法有
為五次拋物線，沿拱軸採用變高度（拱腳１１＝９．０ｍ，
（１）線性屈曲法（方法一）。假定結構和材料均是線性的，通過求解特徵值的方法求出結構的失效因子幾，從而求出結構的極限承載力。
（２）幾何非線性分析法（方法二）。假定材料是線性的，考慮了結構的梁柱效應以及大位移效應，通過圖ｔ盧浦大橋立面／ｍ
增量和迭代相結合的方法求解結構的極限承載力。
拱頂ｈ＝６．０ｍ）、等寬度（ｂ＝５．１ｍ）截面。中國在大
（３）幾何和材料非線性分析法（方法三）。結構和跨度拱橋建設及其極限承載力研究方面均缺乏經驗。材料均為非線性，通過增量和迭代相結合的方法求在設計時有些結構僅用一階穩定的臨界荷載作為保
解結構的極限承載力
收稿日期
**專案：國家自然科學**ａ目
作者簡介程進（１９７１），男，上海市人同濟人學助理研究員．工學博士後
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豹中國公路學報
２００３年
兮卜象粼豁豁黔影卜象歌卜卜獷黔象３有限元分析模型
為了進行結構極限承載力分析，採用大型有限
元軟體ａｎｓｙｓ建立了乙個盧浦大橋的三維有限元模型，如圖２所示。其中拱肋、繫梁、橫撐以及立柱採
用空間梁單元模擬
（ａｎｓｙｓ中ｒｅａｍ１８８單出結構的穩定安全係數最高，方法二次之，方法三最
小。這主要與分析中考慮結構非線性效應的多少有關。對於大跨度拱橋而言，結構材料非線性的影響最大因此，要準確評估出結構的極限承載力必須採用幾何和材料非線性分析法。
（２）研究表明，拱橋的屈服首先發生在拱角處，
然後隨著荷載的增加，拱頂和拱肋其它部位逐漸屈ｊ卜１卜１卜ｌｌｌ元）；吊桿以及水平索（系
服，最後，由於拱肋喪失了承載能力，導致拱橋整體
杆）採用空間杆單元模擬
失穩。（ａｎｓｙｓ中ｉａｎｋｌ０單
元）。按照各構件的幾何特５引數研究
圖ｚ二維有限兀模型ｊ性不同分別區分為７１種以上結果表明，非線性因素對結構極限承載力
單元，其中拱肋採用空間梁單元為３７種；繫梁（參於有很大影響那麼其它引數如荷載分布方式、材料特主拱共同受力）採用空間梁單元為２種；橫撐採用空性變化、溫度變化等對結構極限承載力的影響如何？間梁單元為２１種；橫樑採用空間梁單元為４種；立這些問題至今未得到很好解決。
柱採用空間梁單元為４種；吊桿採用空間杆單元為以盧浦大橋為算例，分別選取荷載分布方式、材
２種；水平索（系杆）採用空間杆單元１種。
料特性變化、溫度變化等主要引數作為變數，用結構的活荷載係數作為輸出結果來反映大跨度拱橋結構４極限承載力分析
的極限承載力。下面計算結果中如不特別註明．均是４，１基本假定
採用方法三獲得。
（１）假定吊桿和水平索材料在分析中始終保持
５．１荷載分布方式對結構極限承載力的影響
彈性，文中所用鋼材視為理想彈塑性材料，材料的屈
為了考察不同荷載分布方式對結構極限承載力
服應力材料非線性分析中採用ｖｏｎ的影響。下面分以下兩種情況：①恆載＋全橋均布活ｍｉｓｅｓ屈服準則。
載；②恆載＋左半中橋均布活載。圖理為拱肋跨中點（２）初始活荷載集度０。二４０ｋｎ／ｍ＞活荷載係數
豎向位移一荷載關係曲線（情況１）；圖５為拱肋跨中點豎向位移一荷載關係曲線（情況ｈ）；圖６為考「一＿４９ａｉ
，其中：４為施加活荷載集度。
慮了所有非線性，兩種荷載方式作用ｆ拱肋跨中點（３）由於盧浦大橋為變截面結構，結構無統一的豎向位移一荷載關係曲線。
恆載集度，因此，筆者採用活荷載係數作為結構的穩嘆ｉ０
０００定安全係數。
十ｔ偉因因６０４．２計算結果
拐書４０爆拒２
０根據前面介紹的三種華班
分析方法，採用大型有限叫咔醫位移ｊｍ
ｐ體戶ｍ
元分析軟體ａｎｓｙｓ分別娜擦計算了盧浦大橋在恆載＋鵝
圖４位移荷載關係圖ｓ位移荷級ｋ系
活載（全橋均布）作用下結２３４５
從以上分析結果可以
位移／功
看出，與全跨均布活載情代卜構的極限承載力。計算結醫圖３位移一荷載關係
況相比，結構幾何非線性裸果如表ｌ所示。圖３為拱
對半中跨均布活載下結構椒地
肋跨中點豎向位移一荷載關係曲線；
表ｌ不同方法的結構活荷載係數比較
極限承載力影響較大；且
位移／ｍ
不ｉ１－介祛｝方法一｝方法二｝方法
半中跨均布活載作用下結
構的極限承載力明顯低於
圖６位移ｆ４載關係
１７．６３８
全橋均布活載下結構的極限承載力。
４．３結果分析
５．２不同材料非線性對結構極限承載力的影響
（扮從上面計算結果可以發現，採用方法一計算
下面分三種情況考察不同材料非線性對結構極
樸４即賈引稱卜月夯也風獲幾海必瑙ｊ耘剪毒．之戶月習．．．斷翻臼娜即口邵
魂杏破１＞尖
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卜乞卜｝卜卜ｆ群卜，
勿二太，賡１
ｍｓ第２期
程進，等：大跨度拱橋極限承載力的引數研究
限承載力的影響。情況ｉ：僅考慮繫梁屈服；情況ｉ：
定。計算結果如圖８所示。
僅考慮拱肋屈服；情況１：考慮繫梁和拱肋都屈服。從圖８中可以看出，溫度
叫平變化對結構極限承載力會
衛計算結果如表２所示
繃梅表２不同情況下結構極限承載力比較
產生影響，但影響不大。一膽
：：情況
情況．般來說公升溫時結構極限承
位移ｊｍ
４１－２５０
黑１７．６３８
載力有所提高；降溫時結從表２中可以看出，情況皿和情況皿計算出結
構極限承載力有所降低
圖８位移荷毅關係
構極限承載力一致，這表明拱肋材料非線性對結構６結語
極限承載力影響最大，而主梁材料非線性對結構極
限承載力不產生影響，因此，在分析時可以忽略。
（１）採用線性方法和僅考慮結構幾何非線性的
５．３拱肋初始缺陷對結構極限承載力的影響
方法均會過高地估計結構的極限承載力，是偏於不
為了考慮中跨拱肋在拱平面外有初始位移的影
安全的。因此，要準確評估出拱橋結構的極限承載力響，假定初始撓度為半波正弦曲線，最大偏移分別取中必須考慮材料的非線性特性。
跨跨長的計算結果見表３，
（２）拱肋材料非線性對結構極限承載力影響最
表３不同最大偏移下結構極限承載力比較
大，而主梁材料非線性對結構極限承載力不產生影不同的最大偏移一
ｌ／５０００
｝ｌ八０００
｝ｌ１５００
響，因此，在分析時可以忽略。
（３）研究表明材料的屈服應力越低，結構進人塑性狀態越早，結構的剛度亦會隨著降低。
注：表中７，表示中跨跨徑．
從表３中可以看出，隨著中跨拱肋在麵外初始
（４）拱肋在麵外存在的初始缺陷對大跨度拱橋
位移的增加，結構極限承載力降低較少。這表明拱肋麵內極限承載力不會產生較大影響
在麵外存在的初始缺陷對拱橋面內極限承載力不會（５）在其它條件相同的情況下，半中跨均布活載
產生較大影響
作用下結構的極限承載力明顯低於全橋均布活載下５．４不同屆服應力對結構極限泛裁六的截晌
結構極限承載力。可見，不同荷載分布方式將會直接分別計算了屈服應力
影響到結構極限承載力。
的代卜（６）溫度變化對結構極限承載力會產生影響，但
四結構極限承載力。計算結
娜ｐａ影響不大。一般來說公升溫時結構極限承載力有所提擔果如表４所示。圖７為不鵝
月入呀入
高；降溫時結構極限承載力有所降低。
」曰同屈服應力狀態下，拱肋
０（７）通過分析表明主要影響結構極限承載力的
跨中點豎向位移一荷載關
引數有結構材料非線性的考慮與否、拱肋的材料非
系曲線圖７位移一荷載關係
線性、材料屈服應力的大小以及荷載分布方式。這些表４不同屈服應力下結構極限承載力比較
引數的正確選擇與使用，將直接關係到能否準確評
估出結構極限承載力。在今後的大跨度拱橋設計中。
不同屈服應力ｉｍｐａ
須引起足夠重視
！２１．６２５
從以上計算結果中不僅可以看出隨著材料屈服
參考文獻
應力的增加，結構極限承載力有所提高。而且也反映
［１〕ｓａｄａｏ
出材料的屈服應力越低，結構進入塑性狀態越早，結
且仁構的剛度亦隨著降低。
場５．５溫度變化對結構極限承載力的影響
２３３６．
ｒ八「為了考察溫度變化對結構極限承載力的影響，
乙一一趙長軍，王鋒君，陳強，徐興．大跨度鋼管混凝土拱
下面分以下三種工況：工況ｉ：恆載＋公升溫６０℃＋橋空間穩定性分析［ｊ．公路
ｌ「ｌ〔ｊ一ｊ全橋均布活載；工況丁：恆載十全橋均布活載；工況
顏全勝，駱寧安，韓大建，等．大跨度拱橋的非線性與穩
１；恆載＋降溫１５一ｃ＋全橋均布活載。筆者採用的定分析「ｊ１．華南）ｎｔ大學學報
ｆ月緯ｆｌ
ｅｓ月何君毅，林祥都．工程結構非線性問題的數值解法
｝鋼結構溫度變化主要參照上海最高和最低溫度確
［ｍ口．北京國防工業出版社．１９９４．
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基於極限承載力的網架結構體系可靠度評價
劉佔省陳志華 天津大學建工學院 摘要 本文首先運用ansys對某網架結構的極限承載力作了計算分析 其次確定了結構極限承載力的統計引數 然後建立基於極限承載力 荷載效應的極限狀態方程，並採用傳統的結構可靠度理論計算出了結構的體系可靠度。算例表明，利用該方法來獲得空間結構的體系可靠度具有簡便 實用的特點...
砌體結構承重縱牆的承載力驗算
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