斜靠式鋼管混凝土拱橋穩(wěn)定性分析
金叔陽1， 宗劍鋒2， 章柏林3
摘要：以廣東省內(nèi)某新建工程為背景，運(yùn)用MIDAS/Civil有限元分析軟件，研究不同荷載工況對(duì)橋梁空間穩(wěn)定性的影響，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析，為同類橋梁提供參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：斜靠式鋼管拱 穩(wěn)定性 荷載工況

鋼管混凝土拱橋是我國(guó)發(fā)展應(yīng)用較快的新型橋梁結(jié)構(gòu)型式，具有自重輕、強(qiáng)度大、抗變形能力強(qiáng)、外形簡(jiǎn)潔美觀等諸多優(yōu)點(diǎn)，是大跨度拱橋的一種比較理想的結(jié)構(gòu)型式[1]。其中斜靠式鋼管混凝土拱橋是指由兩片受力豎直主拱與兩片斜靠拱組合而成的體系。主拱為主要承力構(gòu)件，斜靠拱與主拱形成空間穩(wěn)定體系，以保證結(jié)構(gòu)擁有良好的空間穩(wěn)定性[2]。
本文以位于廣東省某新建工程為背景，運(yùn)用有限元分析軟件MIDAS/Civil 建立多組不同荷載工況下的屈曲分析模型，分析該橋穩(wěn)定性狀況，以期為同類橋梁的設(shè)計(jì)提供參考。
1、工程概況
 

 

圖1 主橋總體布置圖（單位：cm）
本工程主橋?yàn)橄禇U拱，跨徑為75m。全橋共設(shè)兩片主拱、兩片斜靠拱，主拱采用鋼管混凝土拱，外徑為1.5m；斜靠拱采用空鋼管拱，外徑為1.2m。主拱垂直于水平面，主拱中心間距為24.5m；斜靠拱與豎直面夾角為14.4°；斜靠拱拱頂間距為27.6m，拱腳間距為35.3m。主拱、斜靠拱豎向矢高15m，豎直面上矢跨比1/5，拱軸線按拋物線設(shè)計(jì)；斜靠拱在水平面上矢跨比為1/19.48，斜靠拱平面投影拱軸線亦按拋物線設(shè)計(jì)。系桿為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，兩片主拱之間通過梁格系聯(lián)結(jié)為統(tǒng)一整體，斜靠拱拱腳位于端橫梁內(nèi)。本橋拱肋按雙吊桿設(shè)計(jì)，全橋共44根吊桿。本橋總體布置如圖1所示。
2、穩(wěn)定性分析
本橋橋面較寬，主拱中心距達(dá)24.5m，因此該橋穩(wěn)定性也成為設(shè)計(jì)中重要的考慮因素。在設(shè)計(jì)中，考慮到橋面凈寬較大，設(shè)計(jì)中不采用主拱之間設(shè)置橫撐的方式增加橋梁的穩(wěn)定性，而是選用斜靠式空心鋼管拱來起到穩(wěn)定的作用；且在主拱和斜靠拱之間設(shè)置20道橫向聯(lián)系，以增強(qiáng)主拱與斜靠拱的整體聯(lián)系性，減少空心鋼管的局部應(yīng)力。
本文采用有限元分析軟件MIDAS/Civil建立模型進(jìn)行屈曲分析。該模型共有節(jié)點(diǎn)874個(gè)，單元1021個(gè)。分別改變模型中的荷載工況，對(duì)其穩(wěn)定性做出分析。在模型穩(wěn)定性分析過程當(dāng)中，考慮以下荷載工況的作用：自重、二期恒載、汽車活載、人群活載、風(fēng)荷載。下圖2為主橋的空間有限元計(jì)算模型。
 

 

圖2 主橋空間有限元計(jì)算模型
本文采用四種不同的荷載工況，對(duì)橋梁的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出五階的穩(wěn)定系數(shù)如下表1所示。圖3、圖4為拱肋面外反對(duì)稱失穩(wěn)和對(duì)稱失穩(wěn)的示意圖。

 

根據(jù)表1及圖3、圖4所示的分析結(jié)果可見：
本橋拱肋失穩(wěn)模態(tài)均為面外失穩(wěn)，失穩(wěn)形式與一般的無橫撐系桿拱橋相似[3]，說明該橋拱肋的面外剛度相對(duì)面內(nèi)剛度較小，對(duì)整個(gè)橋梁的穩(wěn)定起控制作用。本橋一階穩(wěn)定系數(shù)為15.144~22.727，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足一般拱橋穩(wěn)定系數(shù)大于4.0的要求[1]�？梢�，該橋在多種不利荷載的共同作用下，穩(wěn)定性滿足要求。
比較工況一~工況三可知，隨著豎向荷載的不斷加大，拱肋一階至四階的穩(wěn)定系數(shù)不斷變小；即臨界荷載系數(shù)不斷減少。工況二下的一階穩(wěn)定系數(shù)比工況一下的相應(yīng)值低20.89%，工況三下的比工況二下的相應(yīng)值低15.77%。由此可見，移動(dòng)荷載對(duì)于本橋穩(wěn)定性的影響要小于自重以及二期恒載對(duì)于本橋穩(wěn)定性的影響。
對(duì)比工況三和工況四可知，雖然工況四比工況三多了風(fēng)荷載的作用，但是各階的穩(wěn)定系數(shù)沒有太大變化�？梢姡�風(fēng)荷載對(duì)本橋的穩(wěn)定性影響可忽略，對(duì)本橋穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的貢獻(xiàn)較小。
由工況一和工況二可知，拱肋低階模態(tài)下均為面外失穩(wěn)，而在高階出現(xiàn)了吊桿橫梁失穩(wěn)的情況。分析原因?yàn)�，�?dāng)外界荷載加大至34倍該工況下所作用荷載時(shí)，橋梁梁格系沒有足夠的橫向剛度用以抵抗橫梁失穩(wěn)的發(fā)生。由此也可見，控制本橋橫向失穩(wěn)的構(gòu)件仍以拱肋為主。
3、結(jié)論
（1）該橋在多種不利荷載工況下的穩(wěn)定性良好，滿足使用要求。
（2）該類橋梁的穩(wěn)定性分析應(yīng)在最不利豎向荷載作用下進(jìn)行。
（3）移動(dòng)荷載對(duì)橋梁穩(wěn)定性的影響要小于自重和二期恒載的影響。
（4）對(duì)于該類小跨徑的斜靠式鋼管混凝土拱橋，風(fēng)荷載對(duì)橋梁整體橫向穩(wěn)定的影響可以忽略。
（5）拱肋構(gòu)件的穩(wěn)定性是該類橋梁穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)：
1、陳寶春. 鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與施工[M]，北京：人民交通出版社，1999，46-47.
2、；陳淮，胡鋒，申哲會(huì)，楊磊. 斜靠式拱橋穩(wěn)定性分析[J]，福州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，33，182-186.
3、肖如誠(chéng)，郭瑞，陳磊 等.無推力斜靠式拱橋體系及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[A]. 中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)橋梁及結(jié)構(gòu)工程分會(huì). 第16屆全國(guó)橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C]. 北京：人民交通出版社，2004，119-124.
 

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來自：http://www.jinnzone.com/xiangmuguanlilw/14381.html