影响钢管混凝土拱极限承载力的参数研究
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2020-01-20
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影响钢管混凝土拱极限承载力的参数研究
沈飞峰，程海根，上官兴
华东交通大学土木建筑学院，南昌 (330013)
E-mail：sffcivil@163.com
摘 要：利用有限元分析软件,对钢管混凝土拱的极限承载力进行计算和分析得出了荷载-
位移曲线,分析了混凝土强度等各中参数因素对钢管混凝土拱极限承载力的影响,得出了有
益结论。
关键词: 钢管混凝土拱，极限承载力，有限元分析
中图分类号：TU3 文献标示码：A
1 引言
在钢管混凝土拱桥工程实践中，恒载压力线与拱轴线的偏离、施工预拱度的设置、施工
偏差导致的初变形、非对称加载等因素使实际拱桥的实稳形态大部分属于第二类矢稳，即极
值点矢稳问题。钢管混凝土拱桥随着跨径的增大、材料强度的提高，在第二类失稳破坏时结
构表现出大位移、大应变的特点，大量试验研究充分说明这一点
[1]
。因此有限元程序应考虑
结构的几何非线性和材料非线性问题，按双重非线性理论分析钢管混凝土拱桥从加载开始直
至稳定极限荷载的全过程受力情况。
双重非线性分析有限元分析程序采用混合法，即将荷载分成若干增量，给定参数，由程
序控制加载步长，在各个增量荷载上进行迭代。混合法具有增量法和迭代法的优点，它是用
增量法考虑材料的非线性影响，将几何非线性迭代嵌入材料非线性的增量法中。
2 计算模型的建立
（1）对几何和材料非线性的模拟
[1]
对于几何非线性的模拟，只要将 ANSYS 中大变形开关打开即可，对材料非线性的模拟，
本文按照统一理论建立模型，输入组合材料的非线性本构关系。材料非线性有限元分析采用
的基本假定如下：
1）加载过程中截面始终保持平面；
2）忽略剪应力和剪应变的影响；
3）钢管和混凝土之间无滑移现象；
4）单元两端之间的截面内力近似地按线性变化，取单元的平均刚度作为单元刚度。
（2）单元类型的选择
[5]
将钢管混凝土视为一种组合材料，把钢管和混凝土作为一个整体看待，输入组合材料的
非线性本构关系。用直线梁单元来进行拱的计算分析，梁单元的截面取实心圆，圆直径为钢
管外径。选用 beam188 梁单元，beam188 单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该
单元基于铁木辛哥梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响，且 beam188 是三维线性（两节
点）梁单元，在每一个节点有六个自由度，该单元可以应用于线性、大转动或者非线性大应
变问题。beam188 单元在大变形分析项打开时，将自动计算应力的刚化。应力刚化条件将使
得单元具备分析弯曲、横向的或扭向的稳定性问题（可以用弧长法进行特征值屈曲分析和失
稳研究）。
BEAM188单元允许用 SECTYPE,SECDATA,SECOFFSET,SECWRITE,和 SECREAD 等
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