大跨徑飛燕式異型拱橋穩(wěn)定性分析

朱小林

(山西省交通科學研究院，山西太原 030006)

隨著橋梁建造技術的不斷進步，其結(jié)構(gòu)形式日益豐富，受力性能也變得復雜，跨徑也日趨增大。而制約拱橋向大跨徑發(fā)展的一個重要因素就是其穩(wěn)定問題。飛燕式異型拱橋是鋼管混凝土拱橋中極具藝術性的一種橋型。本文以長春伊通河大橋為工程背景來分析該類拱橋的穩(wěn)定問題。

1 工程概況

伊通河大橋為大跨空間鋼管混凝土拱橋，全橋總長740 m，其中主橋橋長260 m。本文主要討論主橋部分，主橋結(jié)構(gòu)為中承式三跨飛燕式異型拱橋，跨徑組合為51 m+158 m+51 m，橋面寬度為40 m。本橋主跨鋼管混凝土拱肋為異型拱肋，由一根主拱肋和兩側(cè)的兩根外旋穩(wěn)定拱肋組成，形成優(yōu)美的空間造型，穩(wěn)定拱肋分別向兩側(cè)外旋21.8°。主拱共設16根吊桿，上吊點位于主拱上，橫向間距0.7 m，下吊點位于鋼箱梁內(nèi)，橫向間距4.4 m，吊桿順橋向的間距為6 m。全橋在中央分隔帶區(qū)域的橋面內(nèi)設置6根水平系桿。樁基礎采用的是群樁基礎，每個承臺下布設21根直徑為2.0 m的鉆孔灌注樁。主橋立面布置圖見圖1。

圖1 主橋立面布置圖（單位：m）

2 結(jié)構(gòu)計算模型

本文用有限元程序ANSYS建立實橋模型進行相關計算，有限元模型如圖2所示。本模型中除吊桿和系桿選用桿單元Link10模擬，其余構(gòu)件均采用Beam188單元來進行模擬。鋼管混凝土拱肋中的鋼管和混凝土分別建模，二者共用節(jié)點，共同協(xié)調(diào)受力變形［2］。本橋模型的邊界條件為：在兩個承臺底面固結(jié)，主橋的兩端部約束橫橋向和豎向自由度;在拱角立柱頂支座處與預應力混凝土主梁耦合橫向和豎向自由度;兩側(cè)混凝土箱梁和跨中段鋼箱梁也是約束其橫橋向和豎向的自由度。

圖2 主橋ANSYS有限元模型

3 穩(wěn)定分析

3.1 荷載工況

為了對比分析，文中的穩(wěn)定計算中選取了以下幾種可能的不利荷載工況：

1)結(jié)構(gòu)自重+二期恒載;2)結(jié)構(gòu)自重+二期恒載+風荷載; 3)結(jié)構(gòu)自重+二期恒載+全橋滿布車道荷載和人群荷載;4)結(jié)構(gòu)自重+二期恒載+半橋滿布車道荷載和人群荷載。

3.2 穩(wěn)定分析結(jié)果

3.2.1 線彈性穩(wěn)定分析

在本橋的穩(wěn)定分析中，首先進行線彈性穩(wěn)定計算，它是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析的常規(guī)方法，表1是四種荷載工況下的線彈性穩(wěn)定系數(shù)與其失穩(wěn)模態(tài)。

表1 線彈性穩(wěn)定計算結(jié)果

從表1計算結(jié)果可以看出，風荷載對此類結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響很小，通常情況下可以不考慮風荷載的影響。由分析結(jié)果表明，本模型四種工況下的最不利線彈性穩(wěn)定系數(shù)為13.76，滿足規(guī)范要求。

3.2.2 非線性穩(wěn)定分析

在本實例橋梁的成橋穩(wěn)定性的計算中分別考慮了幾何非線性、材料非線性和雙重非線性。分析結(jié)果見表2。

表2 四種工況下穩(wěn)定系數(shù)對比情況

由表2的數(shù)據(jù)表明：與線彈性分析的結(jié)果對比，在橋梁考慮了幾何非線性后，其穩(wěn)定系數(shù)略有下降。當考慮了材料非線性后本橋的穩(wěn)定系數(shù)下降的更為明顯，經(jīng)統(tǒng)計大約下降了1/3。而當考慮了雙重非線性的影響之后，模型橋梁的穩(wěn)定系數(shù)有大幅下降，從數(shù)據(jù)來看下降了近一半。表明非線性是影響大跨徑鋼管混凝土拱橋第二類穩(wěn)定系數(shù)的主要因素之一。

3.3 影響因素探討

拱橋的穩(wěn)定是一個復雜而且多因素的問題，本文主要討論拱肋側(cè)傾角變化，拱肋自身剛度，矢跨比等因素對本橋穩(wěn)定性的影響。

3.3.1 穩(wěn)定拱側(cè)傾角的影響

利用ANSYS建立了不同拱肋側(cè)傾角下的有限元模型，本文選擇從16°～24°等差遞增的外傾角，通過計算對比分析前兩階失穩(wěn)模態(tài)。結(jié)果如表3所示。

表3 拱肋傾角變化下的穩(wěn)定系數(shù)表

由表3可知：本橋的穩(wěn)定系數(shù)隨穩(wěn)定拱肋外傾角大小的變化規(guī)律為：在一定的角度范圍內(nèi)隨著外傾角的增大而先增大后減小。本橋設計中選擇的外傾角為21.8°，從穩(wěn)定性方面考慮較合理。

3.3.2 拱肋自身剛度的影響

以工程實際拱肋剛度為基本單位，通過改變拱肋的剛度系數(shù)來對比分析拱肋剛度對全橋穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。結(jié)果見表4。

表4 不同拱肋剛度下拱橋穩(wěn)定系數(shù)

由表4可知：隨著拱肋剛度的增加，該鋼管混凝土拱橋的整體穩(wěn)定性也隨著提高，因此增大鋼管混凝土拱肋的剛度可有效提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.3.3 矢跨比的影響

通過不斷的改變矢跨比，計算鋼管混凝土拱橋的穩(wěn)定安全系數(shù)，結(jié)果見表5。

表5 不同矢跨比下的穩(wěn)定系數(shù)

由表5可以看出，隨著拱橋矢跨比的增大，該鋼管混凝土拱橋的穩(wěn)定安全系數(shù)也在不斷地增大。在圖中前半段的變化率較大，而后半段的穩(wěn)定安全系數(shù)的變化幅度較小。在穩(wěn)定性方面存在一個最佳矢跨比范圍，設計時盡量在這個范圍取值。

4 結(jié)語

本文利用有限元軟件ANSYS建立實橋模型進行整體穩(wěn)定性分析，結(jié)論歸納如下：

1)在本橋的有限元分析中，幾種工況下的最低階失穩(wěn)模態(tài)均為面外側(cè)傾失穩(wěn)，表明本類型橋梁的面外剛度偏弱，因此在設計施工過程中應高度重視這個問題。

2)本橋的穩(wěn)定系數(shù)在考慮了幾何材料雙重非線性后有較大幅度的折減。今后在設計中采用非線性穩(wěn)定分析得出的穩(wěn)定系數(shù)更安全一些。

3)通過對幾個常見影響拱橋穩(wěn)定的參數(shù)進行對比分析，本橋的穩(wěn)定拱外傾角度對該類拱橋的穩(wěn)定性有一定的影響;拱肋剛度對拱橋的穩(wěn)定性影響較大，可通過增大拱肋剛度的方式來提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;矢跨比也對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有一定影響，設計時應予以考慮，本橋所選矢跨比較為合理。為了提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在設計中需要選擇最合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

［1］ 陳寶春.鋼管混凝土拱橋設計與施工［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［2］ 李曉亮.大跨度鋼管混凝土拱橋施工穩(wěn)定性分析［J］.山西交通科技，2007，10(5)：67-70.

［3］ 劉古岷，張若晞，張?zhí)锷?應用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算［M］.北京：科學出版社，2004.

［4］ 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［5］ 李 俊.大跨度鋼管混凝土拱橋穩(wěn)定性分析［J］.山西建筑，2011，7(20)：183-185.