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钢管混凝土拱肋极限承载力和稳定性的非线性分析

引言

钢管混凝土是一种新颖的结构形式，结合了钢管和混凝土的优点，

具有高刚度、高承载力、良好的耐火性和防腐蚀性等特点。钢管混凝土

拱肋极限承载力和稳定性的研究是提高钢管混凝土结构设计和施工水平

的必须途径。本文将从非线性分析角度对钢管混凝土拱肋的极限承载力

和稳定性进行探讨。

正文

一、钢管混凝土拱肋结构的基本原理

1.1拱肋结构原理

拱的作用是将荷载通过弯矩传递到支座处，达到支撑构件的目的。

而拱肋是将拱弧细分而成的小段，通过将小段以纵向联结的方式，构建

出整个拱体结构，并在拱肋间填充混凝土，形成钢管混凝土拱肋结构。

1.2钢管混凝土拱肋结构特点

钢管混凝土拱肋结构有以下几个特点：首先，其结构具有较为连接

性，多个拱肋之间能形成一起承担荷载的力学系统；其次，混凝土填充

在钢管里面能形成整体化的结构体，而且混凝土可以避免钢露出来而造

成锈蚀；最后，由于混凝土的耐久性和稳定性，具有良好的整体稳定性，

抗震和抗冲击性能较为出色。

二、钢管混凝土拱肋的极限承载力分析

2.1试验研究

在钢管混凝土拱肋结构的极限承载力分析中，试验研究是最可行的

一种方法之一。梅斯勒等人（2000）通过实验研究探讨了不同类型的拱

肋受荷作用下的破坏模式和极限承载力。试验结果表明，最大承载力主

要受拱架的几何参数、钢管材料和混凝土坍落度等因素的影响。此外，

当拱肋足够高时，混凝土的作用越明显，结构的极限承载力也随之增加。

2.2非线性分析

非线性分析方法在极限承载力分析中也具有重要意义。在非线性分

析中，常采用有限元法进行数值模拟。Tang等人（2018）采用ANSYS

有限元软件对钢管混凝土拱肋结构进行了非线性分析，得出了拱肋的最

大承载力以及拱肋在不同工况下的杆件形态。结果表明，随着拱肋高度

增大，其极限承载力也随之增加。

三、钢管混凝土拱肋的稳定性分析

稳定性分析是评价钢管混凝土拱肋结构极限承载能力的重要依据。

稳定性分析中，常采用线性和非线性方法进行计算。线性分析方法通常

用欧拉公式进行计算，而非线性分析则常采用增量能量法进行计算。

3.1稳定性分析的影响因素

正在进行研究的钢管混凝土拱肋结构的稳定性分析主要受以下因素

的影响：拱偏差、加载方式、环向刚度、杆件间接触等。

3.2稳定性分析的方法

稳定性分析的方法有很多，其中最常用的是非线性分析法。非线性

分析法中又包括有限元方法和弹性塑性方法。在分析钢管混凝土拱肋的

稳定性时，板条有限元法是一个非常有用的方法，因为它能够准确考虑

到板条的弯曲等效模型。

结论

钢管混凝土拱肋是一种具有高效支撑能力和良好稳定性的结构形式。

通过试验研究和非线性分析，可以得出钢管混凝土拱肋的极限承载力和

稳定性参数，为实际设计和施工提供有效依据。在今后的研究中，需要

进一步探讨钢管混凝土拱肋的应力响应和变形特性，并不断完善其设计

理论。