单拱肋结合梁组合拱桥稳定分析

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第卷第期 年月 结构工程师 , 单拱肋 结合梁组合拱桥稳定分析 潘湘文 马冲全 同济大学桥梁工程系 , 上海 张欣欣 摘要 以某单拱肋钢 一 混凝土结合板组合桥面系杆拱桥为工程背景 , 基于拱桥稳定性分析理论 , 采用有 限元法 , 定量分析了桥梁施工全过程的稳定性 , 并系统分析了布载方式 、 矢跨比 、 钢主 梁抗 弯刚度 、拱 肋杭 弯刚度 、 吊杆刚度等设计参数对该拱桥稳定安全 系数的影响 。 研究结果表明在结构体系转换过程中 , 稳 定安全系数有明显的降低布载方式对该桥稳定性影响不大系杆拱桥的面内稳定性随着钢主 梁的面内抗 弯刚度的增加而增加拱肋杭 弯刚度的增加 , 可有效地增加单索面系杆拱桥的稳定性面外稳定安全 系数 随着吊杆刚度的增加而降低 , 而面内的稳定性则有所增加 混凝土桥面板对该类桥型稳定的贡献较小 。 关键词系杆拱桥 , 单拱肋 , 结合板 , 稳定性 一 黔 , 周 , , 仃 , 一一一一 ,一, , 一一 , 一, 引言 钢 一 混凝土混合结构与常规的钢结构和混凝 土结构相比 , 具有整体受力合理 、发挥两种材料各 自力学特点以及便于施工等突出优点川 。 可以 预见 , 在世纪 , 混合结构以其极富创新空间的 一种结构形式将会得到更大的发展 。 拱桥作为压弯结构 , 其稳定问题一直是设计 者最为关心的问题之一 。 拱桥成桥后 , 吊杆与系 杆的安装 , 有助于加强拱肋的整体稳定性 , 而在施 工阶段 , 未灌注混凝土的拱肋以及悬挂的纵梁对 于单拱肋拱桥的稳定极 为不利 。 收稿日期 一一 联系作者 , 酬 目前 , 钢筋混凝土拱桥的面内外弹性稳定分 析已经取得了一些成果 一 。 但是 , 单拱肋的结 合板组合桥面的系杆拱桥 , 由于 主梁采用钢梁与 混凝土板的组合 , 有其自身的特点 。 为此 , 本文采 用稳定分析理论 一 , 计算分析了桥梁施工全过 程的稳定性并系统分析了不同布载方式 、 矢跨 比 、钢 主梁 、拱肋 刚度 、 吊杆刚度等主要参数对该 桥稳定性的影响 。 工程概况 江苏省某钢与混凝土结合板组合桥面下承式 系杆拱桥 , 为单跨的单肋下承式简支系杆拱 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. , 桥 , 拱肋为钢管混凝土结构 , 主梁为箱形结合梁 , 拱 脚处为混凝土结构 , 主梁和拱肋通过两个混合节点 和混凝土拱脚相连 , 桥宽 , 矢跨比为 , 桥 梁总体结构如图所示 。 拱肋为两个长 圆形钢管 组合而成的矩形带圆形倒角的钢管混凝土结构 , 横 向分成三个仓 , 钢管内灌混凝土图主梁为钢 主梁和混凝土桥面板组成的结合梁 , 钢主梁横断面 为整体式 , 底面封闭 、顶面开 口 , 与混凝土桥面板形 成闭口箱形断面图桥面板为顺桥向单向板 , 采用预制桥面板和湿接头组成钢系梁 、斜腹板、小 纵梁 、横隔梁顶板均设 置币剪力 钉 吊杆标准间距为 , 吊杆为为平行钢丝成品 索 , 系杆索为环氧喷涂无粘结钢绞线成品索拱梁 节点采用混凝土结构 , 主梁端部设置端横梁 , 边墩 处引桥支撑在端横梁牛腿上 , 混凝土拱梁节点和钢 拱肋及主梁结合梁之间采用混合结构过渡 。 日日日 召卜卜 图总体结构图单位 图标准钢管拱肋与吊杆构造图 自自人人人 一 匕 石东 己 口口孔孔孔 布卜 只肖只 犷犷万 万 门门门门门门门门门门门门门门门门门门门门门门门 门门门门门门门门 , 气 厂飞 困困 吊杆处 吊杆处主梁横断面 小纵梁腹板 继 里 二 翼些 纵梁翼缘 外腹板加劲 小纵梁 了 纵梁外腹板 纵梁底板 非吊杆处 非吊杆处主梁横断面 图结合梁标准段钢结构构造图 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 结构分析 结构工程师第卷第期 主要受力阶段稳定性分析 计算模型 采用 。软件建立全桥稳定计算 模型图 。 其中 , 拱 肋及纵 、 横梁均采用 单元模拟 , 计算拱肋截面特性时采用组 合截面特性 , 弹性模量采用换算弹性模量纵梁 的预应力通 过与纵梁共节 点的单元模 拟 , 并考虑纵梁的预应力 。 吊杆采用单 元并考虑初 张力混凝土桥面板通 过 换算弹性 模量 , 等效到钢纵梁上满堂支架法安装预 制钢 纵梁的支架 简化 为单向弹簧支撑即只能承受 压力单元 。 求解的方程为 人 火 式中 , 为结构 的几何刚度矩阵 别为应力刚 度矩阵 人 为第阶特征值火 为对应的位移特征 向量 。 主要施工步骤 该单拱肋结合板组合桥面系杆拱桥的主要施 工步骤搭设临时辅助支架 , 浇注两端的混凝 土主梁搭设 临时辅助墩 , 先安装 中间钢梁 , 后安装剩余钢梁 , 并焊接成整体简支变连续 阶段搭设拱肋临时支架 , 浇注混凝土拱肋 搭设拱肋临时支架 , 先安装中间大节段拱肋 , 后安装剩余钢拱肋拱肋灌注混凝土 , 之后拆 除拱肋上的支架拆除临时墩 , 安装吊杆与系 杆索 , 第一次张拉吊杆 铺设混凝土桥面板 , 张拉系杆索施加二期恒载调 整吊杆索 力 , 达到成桥理想索力成桥阶段 。 稳定特征值分析 图有限元计算模型 表表示该拱桥主要施工阶段稳定特征值及 其失稳模态 。 利用子空间迭代法获取特征值屈曲解 , 屈曲 表施工阶段的第一类稳定特征值 妞怕 施施工阶段段拱肋灌注混凝土土拆除拱肋上的支架架去除临时墩 , 安装 吊杆 与系杆杆成桥阶段段 特特特征值值失稳模态态特征值值失稳模态态特征值值失稳模态态特征值值失稳模态态 面外对称称面外对称称面外对称称面外对称称 面外反对称称面内反对称称面内反对称称面外反对称称 面内反对称称面内对称称面内对称称面内对称称 面外对称称面外反对称称面内反对称称面内反对称称 从表可看出 , 在施工 过程 中 , 以面外失 稳 为主 , 主要施工阶段的第一阶 、 第二阶失稳模态 均为面外对称和 面外反对称失稳图 。 在拆 除拱肋上 的支架 阶段 , 由 于钢管内的混凝土参 与了结构的受力 , 提高了拱肋 的刚度 , 拱桥稳定 性有所提高 , 稳 定性特征值从增加到 , 增加了 。 但安装吊杆 与系杆 , 去除 临时墩后 , 由于约束条件的明显减弱 , 桥梁稳定 安全系数显著降低 , 从下降为 , 下 降幅度达 。 表表示该拱桥采用种不同布载方式计算 拱桥稳定性 。 表 习 不同布载方式对失稳特征值的影响 加 序序号号工况工况工况 特特特征值值失稳模态态特征值值失稳模态态特征值值失稳模态态 面外对称称面外对称称面外对称称 面外反对称称面外反对称称面外反对称称 面内对称称面内对称称面内对称称 面内反对称称面内反对称称面内反对称 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. , 工况恒载全桥均布活荷载工况恒载 十半跨均布活荷载 工况 恒载 十 半边桥均布活 荷载 。 由表可知 , 布载方式对该拱桥稳定性影 响 很小 。 一阶对称侧倾 左视图 一阶反对称侧倾 左视图 产产厂厂 男男跳跳蕊 短短 乡乡乡乡乡乡 一阶对称面内屈曲主视图二阶反对称面内屈曲 主视图 图单拱施工阶段失稳模态 结构稳定性影响因素分析 矢跨 比 钢主梁面内抗弯刚度 图表示矢跨比从增加到对拱 桥稳定性的影响曲线 。 图为钢 一混凝土组合桥面的拱桥钢梁面 内 抗弯刚度 从原设计的倍增 至倍与稳定 安全系数的关系曲线 。 缎暇圳粼调瓣 曰八, 内乙艺 象睽训粼调瓣 刀 钢梁抗弯刚度倍数 图钢梁抗弯刚度与稳定安全系数的关系 月 斗 八八 矢跨比到 图矢跨比与稳定安全系数的关系 由图可知 , 当矢跨比从原设计的下降 到 , 面外稳定安全系数从下降到 , 下降幅 度 为从 原设 计的增加到 , 面外稳定安全系数从增加到 , 增加幅度为 。 综上可知 , 矢跨比对拱桥 的 稳定性影响不大 。 从图可看出 , 钢梁的抗弯刚度如降为原 设计的倍 , 桥梁面外稳 定安全系数下降了 , 面内稳定安全系数下 降了钢梁 的抗弯刚度如增大为原设计的倍 , 面外稳定 安全系数增加了 , 面内稳 定 安 全 系数 增 加了 。 由此表明 , 钢梁面 内抗弯刚度对拱 桥面内 稳 定影响较大 , 而对面外 稳 定影响 甚微 。 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 结构分析 拱肋抗弯刚度 图表示桥梁稳定安全系数与拱肋抗弯刚度 从原设计的倍增至倍的关系曲线 。 结构工程师第卷第期 , 而面内稳定安全系数则增加了 。 面内稳定安全系数随着刚度的增大而增大 , 且增 长较快面外稳定安全系数随着刚度的增大而略 有减小 。 因此 , 吊杆刚度对桥梁面内稳定性影响 较大 , 而对面外失稳几乎没有影响 。 混凝土桥面板 失稳 失稳 该拱桥主梁为钢主梁和混凝土桥面板组成的 结合梁 , 钢主梁横断面为整体式 , 底面封闭 、顶 面 开口 , 并与混凝土桥面板形成闭口箱形断面 。 表 表示钢主梁与混凝土桥面板连接方式对拱桥稳 定性的影响 。 燕峨圳识侧糟 石刀 拱肋抗弯刚度倍数 图拱肋抗弯刚度与稳定安全系数的关系 表钢主梁与混凝土桥面板连接方式 对拱桥稳定特征值的影响 从图可看出 , 拱肋抗弯刚度从原设计值下 降到原设计的倍 , 面外稳定安全系数下降了 , 面内稳定安全系数下降了拱肋 抗弯刚度从原设计值增加 到原设计的倍 , 面外 稳定安全系数增加了 , 面内稳定安全系数 增加了 。 综上可知 , 拱肋抗弯刚度对该拱 桥稳定性影响较大 。 序序号号设计主梁梁 比较主梁梁 桥面板参与整体受力桥面板不参与整体受力 特特特征值值失稳模态态特征值值失稳模态态 面外对称称面外对称称 面外反对称称 面外反对称称 面内对称称面内反对称称 面内反对称称 面内对称称 吊杆的刚度 图表示桥梁稳定安全系数与 吊杆刚度从 原设计的倍增至倍的关系曲线 。 由表可知 , 当桥面板不参与整体受力 时 , 稳定 安全系数 从减 小 到 , 仅减小 。 这是因为混凝土桥面板 与钢主梁共 同 工作 , 虽然 可以增加主梁的抗 扭刚度和 面内刚 度 , 但对增加面外 刚度的作用 不大 , 而单拱肋系 杆拱桥是以面外失稳为主 。 因此 , 混凝土桥面 板对该 类 桥稳 定 性的作用有限 。 计算 结果 见 表 。 结论 孟勺 象睽叫粼侧瓣 吊杆刚度倍数 图吊杆刚度与稳定安全系数的关系 由图可知 , 吊杆刚度如减小 到原设计值的 倍 , 面外稳定安全系数增加了 , 而面内 稳定安全系数却减少了吊杆刚度如增加 到原设计值的倍 , 面外稳 定 安全系数减少了 通过对单拱肋钢与混凝土结合板组合桥面体 系下承式系杆拱桥施工全过程及成桥阶段的稳定 性分析 , 并综合探讨钢主梁的抗弯刚度 、拱肋 的刚 度 、桥 面板的刚度等因素与该拱桥稳定性的关系 。 可以得到如下主要结论与建议 。 在系杆拱桥的施工过程中 , 以面外失稳 为主 , 主要施工阶段的第一阶 、第二阶失 稳模态均 为面外对称和面外反对称 。 当拆除钢梁的临时支 撑时 , 拱桥的面外稳定安全系数明显减小 。 因此 , 在拱桥施工过程中 , 应特别注意该施工 阶段的结 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. , 构稳定性 。 钢梁 的面内抗 弯刚度的增加 , 很难有 效增加系杆拱桥的 面外 稳定性 , 但可有效增加 面内稳定性 , 考虑 到单拱肋系杆拱桥失稳主要 是面外 , 因此 , 钢梁 的面内抗弯刚度的增加对提 高桥梁整体稳 定性意义 不大 拱肋的抗弯刚度 的增加 , 可以明显 增加单拱肋 系杆拱桥的面外 与面内的稳 定性 , 从而显著提高桥梁 的整体稳 定性 。 吊杆刚度对桥梁面外稳定影响不大 , 而 面内稳定 安全系数则 随着 吊杆刚度的增 大而 提 高 , 且增长较快 。 混凝土桥面板与钢主梁共 同工作 , 虽然 可以增加主梁的抗扭刚度和 面内刚度 , 但对增加 拱桥面外刚度作用不大 , 由于单拱肋系杆拱桥是 以面外失稳为主 , 因此 , 混凝土桥面板对该类桥稳 定性的作用有限 。 参考文献