【《某公铁两用大跨度斜拉桥施工阶段模拟分析案例》4200字】

某公铁两用大跨度斜拉桥施工阶段模拟分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u32735某公铁两用大跨度斜拉桥施工阶段模拟分析案例 图218（c）、（d）可知，方案三（桁架主梁结构）最大双悬臂阶段上弦杆和下弦杆应力大致相同，在桥塔附近出现最大压应力，上弦杆为-130.1MPa，下弦杆为-146.5MPa。稳定性分析结构稳定性是关系结构安全性的重要指标，更是桥梁结构设计过程控制因素之一[45]。桥梁结构稳定性问题分析在桥梁设计中至关重要，由于斜拉桥主梁在拉索作用下具有较大的轴力和弯矩，桥塔在自重和斜拉索竖向分力作用下也存在较大的轴力，并且论文中公铁两用斜拉桥相较于普通公路斜拉桥具有自重大、跨度大的特点，其稳定性问题更是突出。稳定分析理论桥梁结构的稳定问题分为：第一类稳定问题，即分支点稳定问题；第二类类稳定问题，即极值点稳定问题。第一类失稳是平衡分支点失稳，理想的轴心受压杆件和面内受压的平板失稳都属于第一类失稳。实际构件由于初始缺陷的存在使构件的极限荷载降低，不存在结构分叉点，这时发生的失稳现象称之为第二类失稳，即极值点失稳。实际工程失稳问题中，通常桥梁结构发生第二类失稳，但第一类稳定问题与第二类稳定问题的临界值具有一定的相关性，因此研究两类稳定问题均具有现实意义。求解结构稳定性的方法有静力平衡法、能量法、动力法、初始缺陷法、有限元法等，其中有限元的方法能解决实际工程中结构形状不一、荷载复杂的稳定性问题，随着计算机的发展有限元法成为求解稳定问题的首选方式。第一类失稳是平衡分支点失稳，理想的轴心受压杆件和理想的面内受压的平板失稳都属于第一类失稳。第一类稳定问题有限元方法中，可根据构件受力和变形的关系推导得出：(2-1)式中：为结构的弹性刚度矩阵；为结构的大位移刚度矩阵；为结构的几何刚度矩阵；为结构在外力作用下的节点位移向量；而为节点荷载向量。结构发生第一类失稳时处于线性平衡状态，故公式(2-1)中的为0，当外力增大倍时，与荷载大小成正比，因此增大倍，而与外荷载无关；随着逐渐增大，直到结构处于临界状态，当结构发生的位移增量而结构荷载不变；由此可得：(2-2)式2-2中，不为0，必须有：(2-3)这时第一类稳定问题的求解就变为广义特征值问题中最小特征值的求解，其中为特征值，为与特征值相对应的模态，而即为所求临界力。特征值的求解方法相对成熟，小型特征值问题主要采用Jacobi法、H-OL法、House-holder-QR法等，在有限元软件求解大跨度斜拉桥屈曲特征值时采用子空间迭代法、自动搜索法、兰索斯法（Lanczos）法[86-88]。第一类稳定安全系数不小于4，第二类通常表现为强度稳定；《公路斜拉桥设计细则》（JTGD65-01-2007）[89]中对于索的强度安全系数要求不小于2.5，对于其他主要构件构件其稳定系数也要求不小于2.5。国外的设计规范如《美国公路桥梁规范》(AASHTO1979)、《美国铁路桥梁规范》(AREA1981)、《英国桥梁规范》(BS5400)、《欧盟铁路国际联盟规范》(UIC1978)等均给出相应的极限状态[45]。第二类稳定性问题表现为强度破坏，为材料和几何非线性求解问题，需要建立非线性有限元分析模型，分析工作量大，计算收敛性不易得到保证，故在方案分析阶段常采用第一类稳定的分析方法。施工过程稳定性施工阶段稳定性分析中所考虑的荷载有：自重、施工荷载以及二期恒载，并且考虑了拉索刚度对施工稳定性的影响。三种设计方案结构施工阶段的稳定系数如图2-20所示。a）方案一施工阶段稳定系数b）方案二施工阶段稳定系数c）方案三施工阶段稳定系数图219结构施工阶段稳定系数桁架施工关键阶段在图2-19（c）标出，其中施工阶段42为辅助墩激活阶段，施工阶段55为体系转换阶段，施工阶段57为施加二期恒载阶段。根据图2-19一阶屈曲模态计算结果可知，方案二和方案三在主梁拼接到辅助墩激活之前为桥塔纵向失稳，在主梁拼接到辅助墩之后变为主梁竖向失稳。箱梁结构施工过程中随着主梁梁段拼装，随着梁段悬拼，主梁不断伸长，表现出稳定系数逐渐减小；主梁拼接到辅助墩位置，辅助墩激活并在边跨压重后结构约束体系增强，弹性系数增大；施工阶段67中跨合龙后，桥梁稳定性提高；施工阶段68为体系转换阶段，由于辅助墩临时固结和塔梁临时固结变为支座弹性约束，并拆除了桥塔旁支架，边界约束条件的减弱，稳定性降低。施加二次恒载后，结构竖向荷载增大，弹性稳定系数进一步减小。三种设计方案在整个施工过程中，结构在成桥阶段稳定性最小，此时弹性屈曲的结构稳定安全系数大于4。桥梁所承受的荷载最大阶段为施加二期恒载后的成桥阶段。成桥阶段主要荷载为自重+二期恒载，成桥稳定性计算结果如表2-8所示。表2-8施工成桥状态下稳定性计算结果失稳模态稳定系数失稳模态方案一一阶13.78主塔纵弯失稳二阶30.11主塔横弯失稳三阶32.96主塔横弯失稳四阶42.48主梁竖弯失稳五阶47.21主梁竖弯失稳方案二一阶19.69主塔纵弯失稳二阶24.23主塔横弯失稳三阶37.58主梁竖弯失稳四阶38.05主梁竖弯失稳五阶41.02主梁竖弯失稳方案三一阶21.35主塔横弯失稳二阶29.98主塔横弯失稳三阶32.72主塔对称横弯失稳四阶37.05主梁局部失稳五阶37.28主塔对称横弯失稳a）一阶失稳模态b）二阶失稳模态c）三阶失稳模态d）四阶失稳模态e）五阶失稳模态图2-20方案一成桥阶段失稳模态a）一阶失稳模态b）二阶失稳模态c）三阶失稳模态d）四阶失稳模态e）五阶失稳模态图2-21方案二成桥阶段失稳模态a）一阶失稳模态b）二阶失稳模态c）三阶失稳模态d）四阶失稳模态e）五阶失稳模态图2-22方案三成桥阶段失稳模态在施工过程中成桥阶段为南岸塔梁固结，北岸塔梁纵向无约束。如图2-20、2-21和2-22所示，分别对应为三种设计方案施工阶段中成桥阶段失稳模态。三种设计方案，前两阶或多阶失稳模态均受主塔稳定性控制；相对于另外两种设计方案成桥阶段稳定性，方案一的单层宽箱主梁设计方案第一阶失稳模态主梁稳定性较低，并且第四阶出现主梁竖弯失稳；方案三的桁架主梁设计方案主梁第一阶失稳模态稳定系数较高，第一次主梁局部失稳出现在第三阶失稳模态中；方案一第二到五阶稳定系数均大于另外两种施工方案，并且其第一次主塔横弯失稳出现在第二阶，稳定性系数远大于另外两种方案；方案二的错层分离式箱梁设计方案主梁失稳出现在第三阶，并且稳定性系数小于方案一的主梁失稳所对应的稳定性系数。