王璟
山西应用科技学院 山西省 太原市 030062
摘要：由于混凝土拱在我国的大跨径桥梁中的广泛应用，其结构极限承载力的分析已经成为了工程领域的重要课题。本文通过介绍混凝土拱在我国的发展状况，分析比较了目前常见的几种混凝土拱极限承载力分析方法，同时对影响混凝土拱极限承载力的几大因素进行了探讨，希望能为相关人员提供一定的理论参考。
关键词：混凝土拱；极限承载力；方法分析
一、引言
拱桥在我国有着悠久的历史和众多的形式，按常用的建筑材料可以将其分为石拱桥、钢拱桥、钢筋混凝土拱桥和钢管混凝土拱桥四大类。随着桥梁设计理论与计算方法的快速进步，以及我国经济发展速度的不断提高，为混凝土拱桥提供了良好的发展机遇。与传统的钢筋混凝土拱桥相比，钢管混凝土拱桥凭借其强度高、抗变形能力强、跨越范围大、施工方便、经济效益高等诸多优势而成为了我国最重要的桥型结构之一，有着广泛的应用范围和应用前景，积累了丰富的设计施工经验。同时，国内外学者针对混凝土拱极限承载力的分析都进行了大量的研究，对这一问题的进一步探讨将有助于我国钢管混凝土拱桥设计理论、方法和标准的进一步完善，并最终推动我国桥梁事业的更好发展。
二、混凝土拱发展概述
我国的混凝土拱桥最早出现于铁路桥梁中，且在20世纪60年代以后一度发展成为我国的主导桥型，并被广泛的应用于公路桥梁的建设。为减轻自身的重量，方便施工，同时节约一定的施工成本，我国桥梁工作者探索出了诸如双曲拱、刚架拱、桁架拱和组合拱等多种桥梁结构形式。其中前三种形式属于轻型混凝土拱桥，节省了一定的建设材料，但是施工过程费时费力，长期使用还会出现整体刚度低、桥体易开裂等问题，因此目前已经很少被采用。进入20世纪70年代后，钢筋混凝土拱和肋拱成为我国大跨径拱桥中的主要桥型。近年来，钢管混凝土拱凭借着诸多的优势在我国公路桥梁和城市桥梁中得到了迅猛的发展，这主要是因为钢管混凝土外部的钢管对内部的混凝土的紧固作用，使其有着其他桥型不能比拟的良好的受力性能。目前，钢管混凝土拱已经成为混凝土拱向大跨径方向发展的主导桥型。
三、混凝土拱极限承载力分析方法
在我国社会经济快速发展的今天，混凝土拱的数量越来越多，人们对桥梁安全的关注度也在不断提高。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆混凝土拱作为桥梁交通的重要组成部分，一旦因结构承载力不足而导致安全问题时，往往会造成比较严重的后果，因此开展关于混凝土拱极限承载力的研究是十分必要的。目前，混凝土拱极限承载力的分析方法主要有以下几种。
（一）解析法
目前最常用的解析法就是等效梁柱法。这一方法就是在拱的弹性屈曲计算中将拱等效为柱，再按照相关规定及极限承载力的相关方程进行结构极限承载力的分析。该方法的优点是计算简便快捷，但往往不适用与复杂荷载作用下的结构的极限承载力分析。
（二）模型试验法研究
模型试验是分析混凝土拱极限承载力的过程中十分重要的环节，不仅可以为理论分析提供充足的数据支撑，还可以对理论计算结果的正确性进行有效的检验。目前，已有众多的学者开展了大量的混凝土拱模型试验对结构极限承载力进行了分析，研究不同的桥梁结构、破坏模式、受力状况、变形控制等条件下对混凝土拱极限承载力会产生哪些具体的影响，按照桥梁结构的不同，一般可以分为圆钢管混凝土结构和哑铃型钢管混凝土结构两类。通过对圆钢管混凝土结构的分析表明，与钢筋混凝土拱相比，钢管混凝土拱具有承载力较髙、弹塑性性能较好、刚度大等诸多优势；不论是在受压主管还是受拉主管内填充混凝土，都可以增强结构的整体极限承载力；圆截面钢管混凝土衍架与矩形截面钢管混凝土衍架相比存在明显的优势。通过对哑铃型混凝土结构的分析表明，哑铃型钢管混凝土结构普遍具有良好的弹塑性和延性性能；将混凝土填充在哑铃型钢管混凝土结构的腹腔内部可以有效地提高其抗弯承载力。
（三）数值方法
为弥补模型研究法在可模拟的情况有限、成本较高、周期较长等方面的不足，在进行混凝土拱极限承载力的分析时，还需要合理的选用一些数值分析方法。钢管混凝土拱是由外部钢管和内部混凝土组合而成的，且两者之间存在着随应力状态而变化的协同作用，钢管混凝土统一理论就是将两者的组合视为统一体，并按照单个材料的性质来研究这个统一体的性能。这一理论的提出为混凝土拱极限承载力分析数值方法的高效进行奠定了良好的基础。目前，钢管混凝土拱极限承载力分析的数值方法主要分为增量非线性有限元法和弹性模量调整法两类。增量非线性有限元法是基于结构的弹塑性行为与加载变形等基本理论，将弹塑性非线性问题分解为一系列的线性问题，进而计算结构极限承载力的方法，可建立双材料模型和单材料模型两种几何模型。但这类方法存在着理论复杂、离散单元数多、计算效率低等诸多问题，弹性模量调整法的出现则有效的弥补了增量非线性有限元法的不足。弹性模量调整法就是通过通过线弹性有限元分析来确定工程结构的极限承载力，这类方法原理简单、计算简便且成本较低。特别是在引入广义屈服函数之后，更有利于其在大尺度单元建立有限元模型，降低离散未知量，使这类方法的计算效率和适用范围有了很大的改善。
四、混凝土拱极限承载力影响因素分析
目前在进行混凝土拱极限承载力的分析时，首先考虑的就是非线性问题带来的影响，主要包括几何非线性分析和材料非线性分析。几何非线性主要考虑单元初始内力、大位移效应和索垂度效应这三方面的内容；材料非线性指的是随着结构所受的荷载的增加，材料的弹性模量也在随之发生变化。只有同时考虑到这两方面的内容，才可以为混凝土拱实际极限承载力的准确模拟、安全施工和合理设计提供更好的指导。此外，在钢管混凝土拱完全成型之前，初应力的产生往往是不可避免的，不仅会影响钢管混凝土构件整体的弹塑性，还会导致其极限承载力的降低,变形增大,因此必须对其进行充分的分析和合理的限制。最后，徐变作为一种长期荷载效应，一方面通过让混凝土产生附加变形来促使结构发生失稳破坏，另一方面通过改变截面材料的应力重分布并产生次应力，造成钢管提前屈服。这两方面的因素都会影响到钢管混凝土拱桥的极限承载能力，因此也需要对徐变的影响进行进一步的研究、分析和控制。
参考文献
[1]郑健,林广泰.钢管混凝土拱桥模型试验综述[J].西部交通科技,2016(07):66-68.
[2]乔永平,张伟,杨绿峰.钢管混凝土拱桥极限承载力分析的弹性模量缩减法[J].中外公路,2015,35(03):111-116.
[3]陶戴邦.徐变对钢管混凝土拱桥极限承载力的影响研究[D].中南大学,2014.
[4]周海龙,周水兴.钢管初应力对钢管混凝土单圆管拱极限承载力影响的研究[J].公路工程,2013,38(05):72-74+98.
作者简介
王璟（1997-01-01），男，汉族，籍贯：山西省朔州市，当前职务：在校学生，学历：本科在读，研究方向：土木工程类。
论文作者:王璟
论文发表刊物:《防护工程》2018年第30期
论文发表时间:2019/1/11
标签：混凝土论文; 承载力论文; 极限论文; 钢管论文; 拱桥论文; 桥梁论文; 结构论文; 《防护工程》2018年第30期论文;