曹珊珊

（廣東省公路工程質(zhì)量監(jiān)測(cè)中心，廣東 廣州 510500）

1 鋼—混組合橋梁工作原理及特點(diǎn)

1.1 鋼—混組合橋梁工作原理

鋼—混凝土組合橋梁就是利用鋼與混凝土兩種材料在運(yùn)行時(shí)期的不同受力特性來(lái)有效的提高橋梁的整體承載能力。橋梁承載過(guò)程中，鋼體能夠?qū)炷疗鸬揭欢ǖ募s束作用，提高混凝土的強(qiáng)度，同時(shí)也間接提高了混凝土的塑性和韌度；同時(shí)，在混凝土的保護(hù)下，一方面避免了鋼筋受到侵蝕而降低強(qiáng)度，另一方面也避免鋼體過(guò)早的發(fā)生局部屈曲，從而使得鋼體性能得到有效的發(fā)揮，鋼體與混凝土共同達(dá)到受力，提高了橋梁的承載能力。

1.2 鋼-混組合橋梁的特點(diǎn)

根據(jù)上述分析可知，鋼—混凝土組合橋梁具備以下特點(diǎn)：

（1）橋梁承載能力得到顯著的增強(qiáng)。由于鋼體的存在，使得混凝土三向受壓，改變了混凝土的受力性態(tài)，提高了其承載力，同時(shí)混凝土也保證了鋼管的局部穩(wěn)定性，兩者共同受力提供了橋梁的穩(wěn)定性；

（2）提高橋梁的塑性和韌性。鋼體具有良好的延展性及抵抗大變形的能力，而混凝土僅僅具有較好的抗壓性能，抗拉及抗彎性能差，通過(guò)鋼筋與混凝土的搭配，在一定程度上提高了混凝土的抗變形能力，有利于橋梁的穩(wěn)定性，尤其在動(dòng)荷載的影響下。

（3）鋼—混凝土構(gòu)件也具有良好的耐沖擊力性能；

（4）提高了橋梁的經(jīng)濟(jì)性?；炷恋膬r(jià)格要比鋼材低很多，通過(guò)理論分析與實(shí)踐驗(yàn)證能夠發(fā)現(xiàn)，采用鋼混結(jié)構(gòu)的橋梁要比單純采用鋼結(jié)構(gòu)的橋梁費(fèi)用低50%左右。

2 大跨度鋼-混凝土組合橋梁承載能力分析方法

2.1 極限承載力理論

當(dāng)結(jié)構(gòu)在一定的荷載影響下而造成其部分功能或完全無(wú)法滿足使用功能的時(shí)候，這種狀態(tài)稱之為結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)，可以細(xì)分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用的極限狀態(tài)。其中，前者是指結(jié)構(gòu)喪失了繼續(xù)承載的能力，后者是指結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足正常使用的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)承載能力的詳細(xì)分析對(duì)于保證結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)具有重要的作用，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)分析，對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)通過(guò)分析能夠初步確定出橋梁的最危險(xiǎn)荷載以及發(fā)生破壞的形式和發(fā)展規(guī)律，從而留出安全裕度，保證運(yùn)行過(guò)程中安全性。

2.2 承載力分析的相關(guān)理論及方法

承載能力的分析重點(diǎn)是對(duì)于結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定的分析，是結(jié)構(gòu)分析的重要組成部分，隨著我國(guó)在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的新技術(shù)、新材料的不斷應(yīng)用，大跨度的橋梁以其優(yōu)越性得到廣泛的發(fā)展，而大跨度結(jié)構(gòu)所具有的幾何特性以及材料非線性特征使得其承載力往往由穩(wěn)定性所控制。其失穩(wěn)破壞往往沒(méi)有任何征兆的是突然性的破壞，這使得橋梁一旦失穩(wěn)將可能造成重大的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失，因此，采取嚴(yán)格的方法對(duì)橋梁承載里進(jìn)行分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.2.1 穩(wěn)定分析理論

結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)一定是在一定的外力作用下發(fā)生的，在外力如強(qiáng)風(fēng)、地震以及車載偏壓等影響下，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的受力突然增大發(fā)生或局部受力不均衡，從而使得結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)、破壞的情況，一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)失穩(wěn)性質(zhì)的不同可以分為第一類穩(wěn)定和第二類穩(wěn)定。第一類穩(wěn)定問(wèn)題即受壓構(gòu)件軸向壓力達(dá)到臨界值時(shí)，受力平衡仍有可能成立，這與第二類穩(wěn)定問(wèn)題即受彎平衡有較大關(guān)系，結(jié)構(gòu)從加載開始就在彎矩較大的方向或者存在潛在缺陷的地方產(chǎn)生一定的側(cè)向變形，結(jié)構(gòu)在加載前可能保持一定的平衡，但隨著加載的持續(xù)，使得結(jié)構(gòu)變形持續(xù)增大，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性破壞后，變形突然增大，即使荷載不變，結(jié)構(gòu)也將很快出現(xiàn)失穩(wěn)，使結(jié)構(gòu)達(dá)到塑性破壞時(shí)的荷載即為極限荷載。嚴(yán)格的說(shuō)，由于結(jié)構(gòu)在一開始制作過(guò)程中必然存在的安裝方面的誤差、荷載結(jié)構(gòu)受力的不同以及材料天生的缺陷，從而第一類穩(wěn)定是不可能存在的，所以，結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)一般是指第二類穩(wěn)定問(wèn)題，此時(shí)的失穩(wěn)荷載即為結(jié)構(gòu)的極限承載力。

2.2.2 非線性屈曲分析

鋼—混凝土組合橋梁的穩(wěn)定性分析有三種方法：特征值屈曲分析、幾何非線性屈曲分析、雙重非線性屈曲分析。

（1）特征值屈曲分析。特征值屈曲分析主要針對(duì)的是理想的彈性結(jié)構(gòu)體所采用的分析方式，在分析過(guò)程中無(wú)法考慮材料的非線性影響以及荷載對(duì)他的初始擾動(dòng)問(wèn)題。但實(shí)際結(jié)構(gòu)中必然存在缺陷和非線性的影響，因此，特征值屈曲分析的分析結(jié)果偏于保守。

（2）幾何非線性屈曲分析。對(duì)于大跨度的鋼混組合橋梁，當(dāng)荷載逐漸增大時(shí)，結(jié)構(gòu)的變形也必然隨之增大，當(dāng)荷載達(dá)到一定值后，結(jié)構(gòu)能夠承受的變形達(dá)到最大，此時(shí)，即使較小的荷載也會(huì)使得結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大變形并破壞，這時(shí)結(jié)構(gòu)到的變形即為非線性的變形問(wèn)題，必須采用幾何非線性屈曲分析進(jìn)行研究。

（3）雙重非線性有限元法。鋼混組合橋在經(jīng)受超荷載作用時(shí)，可能會(huì)在局部產(chǎn)生超限的問(wèn)題，局部的損失最終可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)彈性極限后，即為材料的非線性問(wèn)題，這時(shí)分析中既要考慮非線性的本構(gòu)方程同時(shí)也靠考慮本線性的幾何方程，在兩者同時(shí)引入到分析中，建立比線彈性和材料非線性本構(gòu)方程更為廣泛的雙重非線性本構(gòu)方程，雙重非線性本構(gòu)方程更加符合橋梁發(fā)生破壞前的受力特征，使得分析具有更高的準(zhǔn)確性。

結(jié)語(yǔ)

大跨度鋼—混凝土組合橋梁的承載力分析時(shí)近年來(lái)工程界的熱點(diǎn)問(wèn)題，由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，也使得該問(wèn)題具有很高的難度，采用數(shù)值分析方法對(duì)其進(jìn)行分析是一種有效的手段，通過(guò)對(duì)承載力分析的相關(guān)理論的研究，能夠?yàn)閿?shù)值分析提供一定的基礎(chǔ)，加強(qiáng)理論方面的研究有利于推動(dòng)數(shù)值方法的更進(jìn)一步發(fā)展。

[1]項(xiàng)海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M].北京:人民交通出版社，2002.

[2]趙雷，張金平.大跨度拱橋施工階段非線性穩(wěn)定分析若干問(wèn)題的探討[J].鐵道學(xué)報(bào)，1995，17(1):76-84.