橋墩二類穩(wěn)定分析報(bào)告文案

1、橋墩二類穩(wěn)定分析報(bào)告1. 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析理論 按照結(jié)構(gòu)在逐漸加載過程中平衡形式是否發(fā)生質(zhì)變的觀點(diǎn)， 將結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)區(qū) 分為第一類穩(wěn)定問題和第二類穩(wěn)定問題，如圖 I-圖2所示。前者表示在加載過 程中，構(gòu)件的平衡狀態(tài)將出現(xiàn)分枝現(xiàn)象， 使原有的平衡狀態(tài)失去穩(wěn)定性而轉(zhuǎn)向新 的平衡狀態(tài)；而后者在加載過程中平衡形式并不發(fā)生質(zhì)變。 在第一類穩(wěn)定同題中， 當(dāng)加載至Per時(shí)，表示平衡的分枝即將出現(xiàn)，稱 Per為壓屈荷載。在第二類穩(wěn)定 問題中，當(dāng)加載到 Pcr 時(shí)，表示構(gòu)件的承載能力即將降低，稱為 壓潰荷載 。工程 上通常把兩者統(tǒng)稱為 失穩(wěn)的臨界荷載 。工程問題中研究結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的目的， 在 于尋求相應(yīng)的 臨界荷載及

2、其臨界狀態(tài) ，防止不穩(wěn)定平衡狀態(tài)的發(fā)生， 從而確保結(jié)構(gòu)安全結(jié)構(gòu)的第一類穩(wěn)定問題，在數(shù)學(xué)上歸結(jié)為廣義特征值問題,KdKg0式中，Kd為彈性剛度矩陣，Kg為幾何剛度矩陣，它只與結(jié)構(gòu)的軸力有關(guān)；為結(jié)構(gòu)的位移增量；為載荷穩(wěn)定系數(shù)。式(1)數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為廣義特征問題，應(yīng)用各種迭代方法，如逆矢量迭代法、子空間迭代法等都可以很方便地求解。結(jié)構(gòu)的幾何非線性是指大位移 問題。在載荷作用下，當(dāng)位移大到足以使得結(jié) 構(gòu)的幾何形狀發(fā)生顯著的改變時(shí)，必須按已變形的位置建立平衡方程。彈性大變 形問題與變形的歷史不相關(guān)，可以采用全量方法研究，也就是直接求在已知載荷 的約束下的總變形和應(yīng)力，結(jié)構(gòu)全量形式的非線性平衡方程可表示為：

3、K( ) F 0(2)式中：K()為非線性剛度矩陣，為節(jié)點(diǎn)位移，F(xiàn)為等效節(jié)點(diǎn)載荷。非線性穩(wěn)定分析的基本方法是逐步地施加一個(gè)恒定的載荷增量直到解變得開始發(fā)散為止。由于特征值屈曲載荷是預(yù)期的線性屈曲載荷的上限，故可以作為非線性屈曲的給定載荷，在漸進(jìn)加載達(dá)到此載荷前，非線性求解應(yīng)該發(fā)散。設(shè) 為特征值屈曲分析時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)，在這里取非線性屈曲分析的給定載荷系數(shù)。 將 給定載荷分為n個(gè)載荷增量，001 t n(3)在每一個(gè)載荷步內(nèi)對(duì)非線性方程 (2)進(jìn)行線性化，可得增量形式的平衡方程：Kt F 0(4)Kt K0 Kl K(5)F ( t t 1)F(6)式中：Kt為切線剛度矩陣，F(xiàn)為等效節(jié)點(diǎn)載荷增量矩陣

4、，為節(jié)點(diǎn)位移增量，Ko為小位移線性剛度矩陣，Ki為大位移矩陣，K為初應(yīng)力矩陣，F(xiàn)為 等效節(jié)點(diǎn)載荷矩陣。 在每一個(gè)載荷步內(nèi)， 為了改進(jìn)求解的精度， 可以應(yīng)用牛頓法 進(jìn)行迭代。結(jié)構(gòu)的極限承載力在開始發(fā)散的載荷和在此前一級(jí)已收斂的載荷之 間。如載荷增量步分得較細(xì)， 可以偏于安全地認(rèn)為是前一級(jí)載荷， 而避免更加復(fù) 雜的計(jì)算。目前二類穩(wěn)定分析都是采用有限元等數(shù)值計(jì)算方法。 從本構(gòu)關(guān)系來考慮穩(wěn)定 問題可以分為彈性穩(wěn)定與彈塑性穩(wěn)定， 而彈性穩(wěn)定又從是否考慮幾何非線性、 初 始缺陷等因素又分為線彈性穩(wěn)定和非線性彈性穩(wěn)定。 由于施工環(huán)節(jié)會(huì)存在不可避 免的施工誤差， 橋墩軸線可能出現(xiàn)偏差， 高墩在水平荷載作用下將

5、產(chǎn)生較大的變 形等等，穩(wěn)定計(jì)算必須計(jì)人初始缺陷及大位移的影響， 所以基于極值點(diǎn)失穩(wěn)為理 論基礎(chǔ)的計(jì)人雙重非線性的彈塑性穩(wěn)定問題對(duì)于工程是必須的。2. 橋墩 ANSYS 分析2.1 單元模擬為在ANSYS軟件中，采用beam189梁?jiǎn)卧M橋墩和橫梁，beam189為3-D 二次有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧梢院芎玫哪M橋墩力學(xué)行為。2.2 材料本構(gòu)材料非線性本構(gòu)關(guān)系是進(jìn)行二類穩(wěn)定計(jì)算的重要依據(jù)， 尤其是極限階段混凝土的強(qiáng)化過程研究中只考慮了混凝土抗壓部分，選用美國學(xué)者Ho ngn estad 提出的本構(gòu)曲線。具體表達(dá)式為:1 0 15式中,0為棱柱體極限抗壓應(yīng)力，0為對(duì)應(yīng)于0的應(yīng)變，取0.002 ， u通

6、常取0.0038O2.3(1 )一類穩(wěn)定實(shí)質(zhì)上是特征值失穩(wěn)，計(jì)算公式見下式，一般不小于45。PerPt4 5(2)第二類穩(wěn)定實(shí)質(zhì)上是極值點(diǎn)失穩(wěn)。用極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)橋梁時(shí)，穩(wěn)定與 最終的極限承載力是統(tǒng)一的。因?yàn)槎惙€(wěn)定分析的最終狀態(tài)也是橋梁達(dá)到塑性變 形而破壞，因此，橋梁結(jié)構(gòu)的二類穩(wěn)定安全系數(shù)與強(qiáng)度安全系數(shù)也是一致的照公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范JTGD62 2004),取荷載系數(shù)為1.2 ;設(shè)計(jì)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的混凝土安全系數(shù)為1.25，結(jié)構(gòu)工作條件系數(shù)為0.95，則要求鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體安全系數(shù)應(yīng)不小于1.58，計(jì)算見下式。由于目前規(guī)范為規(guī)定結(jié)構(gòu)二類穩(wěn)定系數(shù)， 根據(jù)上述分析，二類穩(wěn)定系數(shù)

7、可以參考取 1.58。1.20 1.251.580.953. 分析項(xiàng)目該橋引橋上部結(jié)構(gòu)為40米T梁，先簡(jiǎn)直后連續(xù)，下部結(jié)構(gòu)墩型有矩形實(shí)腹 墩、矩形空心墩和雙柱式墩，墩身基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。王橋?yàn)?5+160+85m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，主橋橋墩為雙柱式空心薄壁墩，最高墩高為83.423m，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。首先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征值分析，得到的最小特征值作為第一類穩(wěn)定安全系數(shù)，并將該值作為后繼非線性分析的參考荷載因子；第一階屈曲變形要作為初始缺陷加入原結(jié)構(gòu)；同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的材料非線性、幾何非線性及初始缺陷。定義材料的 本構(gòu)模型，打開大變形開關(guān)，將一階特征值屈曲變形作為結(jié)構(gòu)的初始缺陷加入原 結(jié)構(gòu)，采用逐步加載

8、的方式求解結(jié)構(gòu)的極限荷載。進(jìn)行后處理分析，得到結(jié)構(gòu)的二類穩(wěn)定安全系數(shù)。3.1實(shí)心矩形橋墩根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的一跨40m梁恒+活荷載為14435 kN。將該荷載作于 與橋墩墩頂，進(jìn)行穩(wěn)定分析。(1 )計(jì)算墩高40米，截面尺寸6.0X2.0 ;分析結(jié)果：橋墩一類穩(wěn)定為10.4，二類穩(wěn)定為6.8，失穩(wěn)模態(tài)為橫橋向側(cè)傾失穩(wěn)圖5求解歷程曲線NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =12TIME=6.88UZ (AVG)RSYS=0DMX =.303629SMN =-.159E-03SMX =.302476MX.134345DEC 7 200911:37:04-.159E-03.067093.033

9、467.100719.167971.201597.26885.235223.302476圖6墩身位移圖1ELEMENT SOLUTIONSTEP=1SUB =12TIME=6.88EPTOX (NOAVG)RSYS=0DMX =.303629SMN =-.773E-03SMX =.135E-03-.369E-03ANDEC 7 200911:34:31-.773E-03-.571E-03-.168E-03.341E-04-.672E-03-.470E-03-.268E-03-.668E-04.135E-03圖7墩身應(yīng)變圖(2)計(jì)算墩高50米，截面尺寸6.0X2.2 ,分析結(jié)果：橋墩一類穩(wěn)定為8

10、.2二類穩(wěn)定為6.3，失穩(wěn)模態(tài)為橫橋向側(cè)傾失穩(wěn)墩頂位移（m）圖8求解歷程曲線1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =14TIME=6.343UZ (AVG)RSYS=0DMX =.363807SMN =-.151E-03SMX =.362739DEC 7 200911:48:30-.151E-03.080491.04017.120812MX.161133.241776.201455.322418.282097.362739圖9墩身位移圖ELEMENT SOLUTIONSTEP=1SUB =14TIME=6.343EPTOX (NOAVG)RSYS=0DMX =.363807SMN

11、=-.661E-03SMX =.112E-03DEC 7 200911:49:16二二二 iF;-z piMX.112E-03-.661E-03-.489E-03-.318E-03-.146E-03.257E-04-.575E-03-.403E-03-.232E-03-.602E-04圖10墩身應(yīng)變圖(3)計(jì)算墩高63米，截面尺寸6.0X2.5 。分析結(jié)果：橋墩一類穩(wěn)定為6.8 , 二類穩(wěn)定為5.6，失穩(wěn)模態(tài)為橫橋向側(cè)傾失穩(wěn)。墩頂位移(m)圖11求解歷程曲線1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =15TIME=5.632UZ (AVG)RSYS=0DMX =.299997SMN =

12、-.138E-03SMX =.299059AIMDEC 7 200913:45:41MX-.138E-03.06635.132838.199326.265814.033106.099594.166082.23257.299059圖12墩身位移圖1ELEMENT SOLUTIONSTEP=1SUB =15TIME=5.632EPTOX (NOAVG)RSYS=0DMX =.299997SMN =-.451E-03SMX =.970E-05AIMDEC 7 200913:46:15.970E-05-.451E-03-.349E-03-.246E-03-.144E-03-.415E-04-.400E

13、-03-.298E-03-.195E-03-.927E-04圖13墩身應(yīng)變圖分析結(jié)果：橋DEC 7200914:00:43(4)結(jié)論根據(jù)穩(wěn)定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，該類橋墩滿足穩(wěn)定要求3.2空心矩形橋墩(1 )計(jì)算墩高60米，截面尺寸，壁厚0.55m墩一類穩(wěn)定為12.1 ，二類穩(wěn)定為7.9，失穩(wěn)模態(tài)為橫橋向側(cè)傾失穩(wěn)圖14有限元模型ELEMENTSDEC 7 200914:02:08圖15局部有限元模型圖16求解歷程曲線NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =12TIME=7.975UZ (AVG)RSYS=0DMX =.403955SMN =-.402E-03SMX =.401005-.402E-

14、03.0888.0441991ELEMENT SOLUTIONSTEP=1SUB =12TIME=7.975EPTOX (NOAVG)RSYS=0DMX =.403955SMN =-.943E-03SMX =-.128E-03DEC 7 2009MXMN.178001.133401.222602.267203.356404.311804圖17墩身位移圖14:10:15.401005DEC 7 200914:10:40-.943E-03-.762E-03-.580E-03-.399E-03-.218E-03-.852E-03-.671E-03-.490E-03-.309E-03-.128E-03

15、(2)計(jì)算墩高70米，截面尺寸，壁厚0.55m。分析結(jié)果：橋墩一類穩(wěn)定為8.6，二類穩(wěn)定為6.6，失穩(wěn)模態(tài)為橫橋向側(cè)傾失穩(wěn)0.00 0.10 0.200.300.400.500.60圖19求解歷程曲線iNODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =14TIME=6.606UZ (AVG)RSYS=0DMX =.515908SMN =-.339E-03SMX =.513484MXMN-.339E-03.056753.113844.228027.170936DEC 7 200914:18:20.34221.456393.285119.399301.513484ELEMENT SOLUTIONS

16、TEP=1SUB =14TIME=6.606EPTOX (NOAVG)RSYS=0DMX =.515908SMN =-.835E-03SMX =-.665E-04iill-EMX-.835E-03-.665E-03-.494E-03-.750E-03-.579E-03DEC 7 200914:19:09-.323E-03-.152E-03-.408E-03-.237E-03-.665E-04圖21墩身應(yīng)變圖(3 )計(jì)算墩高80米，截面尺寸，壁厚0.55m。分析結(jié)果：橋墩一類穩(wěn)定為5.6，二類穩(wěn)定為4.0。圖22求解歷程曲線NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =13 TIME=4.0

17、64UZ (AVG)RSYS=0DMX =.436872SMN =-.211E-03SMX =.435352ANDEC 7 2009-.211E-03.0481851ELEMENT SOLUTIONSTEP=1SUB =13TIME=4.064EPTOX (NOAVG)RSYS=0DMX =.436872SMN =-.509E-03SMX =-.521E-04(4)結(jié)論MX.096581.193372.290164.144977.241768.33856圖23墩身位移圖MX-.509E-03-.407E-03-.306E-03-.204E-03-.103E-03-.458E-03-.357E-

18、03-.255E-03-.154E-03根據(jù)穩(wěn)定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，該類橋墩滿足穩(wěn)定要求14:23:30.386956.435352ANDEC 7 200914:24:08-.521E-04NOV 29 200911:08:20卩II iik!¥!mm!3.3雙柱式橋墩 計(jì)算墩高40米，單墩截面尺寸直徑2.0m圓截面。分析結(jié)果：橋墩一類穩(wěn)定為4.29，二類穩(wěn)定為3，失穩(wěn)模態(tài)為橫橋向側(cè)傾失穩(wěn)。分析顯示，該類橋墩1element穩(wěn)定要求。miik： hi早 min uhMill i mi. iii臨 i呷 lllll圖25有限元模型數(shù)系定穩(wěn)0.50.000.100.200.300.40墩頂位移（m

19、圖26求解歷程曲線1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =13TIME=3.068UZ (AVG)RSYS=0DMX =.488927SMN =-.148E-03SMX =.488129-.148E-03.054105DEC 7200914:35:32.108358.216864.162611.32537.433876.271117.379623.488129圖27墩頂位移圖ELEMENT SOLUTIONSTEP=1SUB =13TIME=3.068EPTOX (NOAVG)RSYS=0DMX =.488927SMN =-.001016SMX =.425E-03MX-.00101

20、6-.696E-03-.856E-03ANDEC 7 200914:33:55-.376E-03-.552E-04.265E-03-.536E-03-.215E-03.105E-03.425E-03圖28墩身應(yīng)變圖3.4主橋橋墩(1 )計(jì)算墩高84米，單墩截面尺寸直徑截面，壁厚0.7m。該 橋采用懸臂施工法，穩(wěn)定最不利階段為邊跨合攏前一階段，計(jì)算的該階段梁恒載重64655 kN。將該荷載施加在橋墩上，進(jìn)行穩(wěn)定分析。分析結(jié)果：橋墩一類穩(wěn) 定為11.1 ，二類穩(wěn)定為6.53，失穩(wěn)模態(tài)為橫橋向側(cè)傾失穩(wěn)。分析顯示，該類橋墩滿足穩(wěn)定要求1ELEMENTSNOV 29 200921:45:04圖29有限元

21、模型1ELEMENTS ANDEC 7200914:39:21圖30局部有限元模型數(shù)系定穩(wěn)0.00 0.200.400.600.80 1.00墩頂位移（m圖31求解歷程曲線1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =31TIME=6.525UX (AVG)RSYS=0DMX =.835145SMN =-.001203SMX =.826879DEC 7 200916:14:30-.001203.182815.090806.274824MX.366833.458842.550851.73487.64286.826879圖32墩頂位移圖ELEMENT SOLUTIONSTEP=1SUB =31TIME=6.525EPTOX (NOAVG)RSYS=0DMX =.835145SMN =-.001985SMX =.198E-04DEC 7 200916:15:15-.001094-.648E-03-.203E-03-.001317-.871E-03-.426E-03.198E-045.545 3 5 23 2 數(shù)系定穩(wěn)5di10.500.000.200.400.600.801.00墩頂位移(mI1.20圖34求解歷程曲線-.001985-.00154-.001762圖33