某钢管混凝土拱桥的稳定性计算与分析

1 工程概况

某大桥主桥采用五孔中承式钢管混凝土系杆拱。拱肋为钢管混凝土, 截面形式为哑铃形。主桥中孔较大, 边孔较小, 从美观方面看取得了良好的效果。拱肋采用三道, 使道路上、下行线位于中肋两侧, 不但增强了桥面行车的安全性, 而且增强了结构的稳定性和抗震性。中孔、次中孔和边孔矢跨比为1/2.5、1/3、1/5, 拱轴线形为二次抛物线。

2 稳定性计算

2.1 计算模型

结构受力分析和理论计算按照桥梁通用有限软件MIDAS CIVIL, 采用空间有限元模型建模。

2.2 吊杆对结构稳定性的影响

在分析吊杆对结构的稳定性影响时, 可以从以下几个工况进行分析。

工况一:恒载+跨中X横撑, 其稳定安全系数为11.451。

工况二:恒载+各跨跨中吊杆全部失效, 其稳定安全系数为11.499。

工况三:恒载+各跨四分点处吊杆全部失效, 其稳定安全系数为11.232。其失稳模态均为拱肋面外失稳。

经分析比较可得:某大桥跨中吊杆失效对结构稳定性影响很小, 四分点处吊杆失效时结构的稳定安全系数降低了1.9%, 所有工况的失稳模态均为面外失稳。

2.3 拱肋混凝土强度对结构稳定性的影响

某大桥原设计和实桥的钢管混凝土拱肋内灌注的混凝土标号均为50号 (工况一) , 为了研究钢管内灌注的混凝土的强度等级对全桥稳定承载力的影响, 现分别将拱肋钢管内灌注的混凝土标号改为40号 (工况四) 和60号 (工况五) , 以此和工况一进行对比研究, 从而揭示钢管内灌注的混凝土强度等级对全桥稳定承载力的影响规律。

工况四:恒载+拱肋混凝土为C40, 其稳定安全系数为11.068。

工况五:恒载+拱肋混凝土为C60其稳定安全系数为11.737。

通过对工况四和工况五荷载作用下的分析, 并且和工况一作对比后发现:把某大桥拱肋钢管内灌注的混凝土标号由50号降低到40号时, 稳定安全系数降低了3.3%, 混凝土标号由40号提高到60号时, 稳定安全系数提高了6%, 且失稳模态表现为面外失稳。

2.4 荷载布置形式对结构稳定性的影响

为了研究荷载布置形式对钢管混凝土拱桥的稳定极限承载力的影响情况工况六满布布载形式, 工况七采用偏载布载形式。工况八~工况十一用活荷载稳定安全系数来描述结构承受活荷载的能力。

工况六:恒载+四列列车全桥满布, 其稳定安全系数为156.64。

工况七:恒载+四列列车全桥偏载满布 (偏心) , 其稳定安全系数为147.89。

经过分析比较, 工况七比工况六的稳定安全系数降低了5.6%。

2.5 非线性的分析方法对结构稳定安全分析的影响

为了研究钢管混凝土拱桥在结构稳定分析过程中考虑非线性对结构计算结果的影响, 对某大桥稳定计算记入非线性, 分为以下几个工况进行分析。分析结果见图1和图2。

工况一:恒载+跨中X横撑, 其稳定安全系数为11.451。

工况八:恒载+风载+考虑几何非线性, 其稳定安全系数为10.619。

工况九:恒载+风载+考虑材料非线性, 其稳定安全系数为8.962。

通过对某大桥非线性分析结果进行对比, 可以发现:结构在记入几何非线性时, 安全稳定系数降低了7.3%, 而记入材料非线性后结构的稳定安全系数降低了21.7%。

3 结语

(1) 吊杆对其稳定性的贡献不大, 影响很小。 (2) 在钢管混凝土拱桥拱肋截面尺寸受到限制但其安全储备又不足的情况下, 可以通过提高拱肋钢管内灌注的混凝土强度等级来有效改善钢管混凝土拱桥的稳定安全性能。 (3) 在全桥满布的时候, 其稳定安全系数最大, 其余布载方式的稳定安全系数都得到了相应的降低。 (4) 在记入非线性时结构的安全稳定系数都降低了, 所以在设计分析计算时, 必须要记入结构的非线性。

摘要：钢管混凝土拱桥具有施工阶段体系不断变化、结构受力非线性、施工过程与成桥状态高度耦合等特点, 因此对其进行整体稳定性分析具有重要的实用价值。本文以某大桥为例, 给出了主桥结构稳定性计算与分析的成果, 得出钢管混凝土拱桥稳定性影响的主要因素。

关键词：钢管混凝土拱桥,稳定性分析

参考文献

[1] (苏) A.H.拉耶夫斯基[著], 赵超燮, 等[译].结构稳定计一算原理[M].北京:高等教育出版社, 1965.

[2] 钱若军, 王建, 等.甲网壳结构稳定分析的建模[J].建筑结构学报, 2003 (6) .

[3] 项海帆, 刘国栋.拱结构稳定与震动[M].北京:人民交通出版社, 1991.

[4] 王宇.钢管混凝土拱桥的横向稳定性分析[D].成都:西南交通大学, 1996.