大跨径钢管混凝土拱出平面徐变稳定性能研究

Concrete filled steel tubular (CFST) arch bridges have been gaining their popularity in recent 20 years in China due to their excellent mechanical behaviour and their ease of construction. Up to date, the longest CFST arch bridge has a span length longer than 500 m. As the span of CFST arches increases in length, out-of-plane creep buckling of CFST arch ribs becomes significant in CFST arch bridges. Actually, severe safty problems have recently exhibited in standing CFST arch bridges built in 1990s, because the designers failed to consider the out-of-plane creep buckling of CFST arches which is still not specified in the two local standards (published in 2011) for the design of CFST arch bridges. Relevant research works are just in their start stage. Benchmark tests are not available to verify the reliability of the analysis results. The analysis failed to consider the construction process, leading to unsafe results. In this context, this project will conduct experimental study on the out-of-plane creep buckling behaviour of CFST arches, numerically investigate the out-of-plane creep buckling of CFST arches with the consideration of construction process, specify main factors that influence the results, provide simplified analysis method, and propose designing equations for the reduction factor of the safety factor for the out-of-plane stability of CFST arch bridges. The achievements of this project will improve the design theory of CFST arches and will promote the development of such type of bridges in China.

近二十年来，钢管混凝土拱桥因力学性能优越、施工方便等优势在我国发展迅速，其最大跨径已超过500米。但跨径的增大导致钢管混凝土拱肋出平面徐变稳定问题日益突出。事实上，由于现有设计并未考虑徐变对拱肋出平面稳定的影响，若干上世纪90年代建成的钢管混凝土拱桥近年已出现安全问题。现有两部钢管混凝土拱桥地方标准（2011年）均未考虑拱肋出平面徐变稳定。而相关研究刚刚起步，研究结论缺乏试验验证，且分析时未考虑施工过程影响，计算结果偏于不安全。因此，本项目拟进行钢管混凝土拱出平面徐变稳定性能试验；考虑施工过程影响，系统分析钢管混凝土拱肋出平面徐变稳定性能，确定主要影响因素，提出有限元简化计算方法，并建立钢管混凝土拱肋出平面稳定安全系数的徐变折减系数设计公式。本项目的研究成果将进一步完善钢管混凝土拱桥设计理论，促进该桥型的发展。

近二十年来，钢管混凝土拱桥因力学性能优越、施工方便等优势在我国发展迅速，其最大跨径已超过500米。但跨径的增大导致钢管混凝土拱肋出平面徐变稳定问题突出。若干上世纪90年代建成的钢管混凝土拱桥近年已出现安全问题。我国现行的国家标准《钢管混凝土拱桥技术规范（GB 50923-2013）》未考虑拱肋出平面徐变稳定问题。相关研究刚刚起步，缺乏试验验证，且分析中未考虑施工过程影响，结果偏于不安全。本项目工作如下：.1）考虑桥面系的非保向力作用，进行圆形截面钢管混凝土抛物线无铰拱在沿跨度方向均布荷载作用下的出平面徐变稳定性能试验，获得构件在持荷一年后的稳定承载力为150kN，时效作用对钢管混凝土拱肋位移的影响不可忽视。.2） 通过UMAT二次开发程序对ABAQUS有限元软件进行二次开发，采用欧洲规范EC2模型及逐步积分法模拟核心混凝土在变应力作用下的时效作用，采用韩林海模型模拟高应力状态下核心混凝土的非线性性能及约束作用，建立了较为精确的钢管混凝土拱肋徐变稳定性能有限元分析模型。该模型可同时考虑施工过程、混凝土的老化、轴力与弯矩组合作用下构件的长期效应、几何与材料非线性等因素。通过与试验结果进行对比，验证了有限元模型的可靠性。.3）通过系统的参数分析，研究核心混凝土时效作用所引起的屈曲前变形对圆形截面钢管混凝土抛物线无铰拱出平面稳定承载力的影响，确定关键参数，提出考虑该影响的拱肋出平面稳定承载力设计公式。分析发现，时效作用最多可使拱出平面稳定承载力降低14%，所提出的设计公式与有限元结果吻合良好，相差不超过10%，且偏于安全。.4）分析发现，时效作用所引起的拱肋屈曲前线型偏移是影响拱肋稳定承载力的最关键因素。为此，提出一种简化方法预测拱肋长期位移，并通过增加拱肋初始缺陷考虑该偏位量对其稳定承载力的影响，建立了一种钢管混凝土拱出平面徐变稳定承载力的简化分析方法。其分析结果与精确模型的分析结果相差不超过5%，是合理可靠的。.5）考虑施工过程影响，分析四肢桁式钢管混凝土拱肋出平面徐变稳定性能，确定主要影响因素。分析发现，兼顾时效作用与施工过程影响后，四肢桁式钢管混凝土拱出平面徐变稳定性能，确定主要影响因素。分析发现，兼顾时效作用与施工过程后，四肢桁式钢管混凝土拱的出平面稳定承载力降低幅度显著增大，最大可降低23%。