公路鋼桁橋穩定性影響因素分析

吳 堅（浙江省義烏市公路管理段，浙江 義烏322000）

1 前言

鋼桁橋由于采用高強度的材料而且易于加工，因此構件重量輕，運輸、架設方便，是大跨徑橋梁的理想材料，目前各類體系橋梁中，其最大跨徑的橋梁皆為鋼橋。在要求工期短，施工干擾小的橋梁中，鋼橋也是很好的選擇。鋼橋的主要優點是：可以實現完全工業化的制造和拼裝;上、下部結構可以同時施工，能夠加快施工進度;由于鋼材具有勻質性、構件輕的特點，用懸臂法施工比較方便;可以較方便的跨越大跨，節省施工時間和費用。鋼桁橋除了具有鋼橋s 的優點之外還有其自身獨特的優點：可以上、下雙層通車，能夠滿足公、鐵兩用及大交通量的需求;構件預制拼裝速度快，經濟效益顯著等。

橋梁結構的穩定性是關系其安全與經濟的主要問題之一，它與強度問題具有同等重要的意義。由于大跨度橋梁日益廣泛地采用高強材料和薄壁結構，穩定問題顯得更為重要。

橋梁結構的失穩現象可以分為以下幾類：

(1)個別構件的失穩，例如壓桿的失穩和梁的側傾;

(2)部分結構或整個結構的失穩;

(3)構件的局部失穩，而局部失穩常常會導致整個結構體系的失穩。

嚴格來說，任何理想彈性構件或結構體系存在受壓區時都存在失穩的可能性。但是，鋼結構的穩定問題表現得遠比鋼筋混凝土結構突出，這有兩個原因：

首先，依據強度來設計鋼結構和混凝土結構時，在相同邊界條件和荷載作用下，鋼結構構件的截面尺寸要小于鋼筋混凝土構件的截面尺寸，抵抗失穩的能力要小于混凝土結構。

其次，由于鋼結構構件主要由板材構成，寬而薄的板材是很容易發生局部失穩的，而鋼筋混凝土構件則主要是實心截面，不存在局部穩定問題。

世界上曾經有過不少橋梁因失穩而喪失承載能力的事故，我國的浙江寧波招寶山斜拉橋在1998 年9 月，也發生過施工時主梁斷裂的事故，其中一個主要原因就是箱梁的底板過薄，在施工荷載作用下主梁被壓潰。由此可見，分析橋梁結構的穩定性，對于整個橋梁的建設具有重大的意義。

2 鋼桁橋的主要架設方法

在實際的鋼析梁架設過程中，僅僅采用一種簡單的施工方法是很少見的，大多數鋼桁橋梁的架設至少同時采用2 種或2 種以上的施工方法。并且在施工工藝上進行了更符合實際情況的創新與改進，進而使得社會、經濟效益顯著。

目前鋼桁橋主要的架設方法主要有懸臂施工法、半浮半拖施工法、浮運膺架法等，下面詳細介紹這三種施工方法在鋼桁橋中的應用。

2.1 懸臂施工法

近幾十年來，國內外許多特大橋都采用了懸臂施工法進行建設。隨著鋼橋結構的發展，懸臂拼裝工藝也正在逐步完善。為了減少析架內力和伸臂端撓度，一般在伸臂前方橋墩處伸出支撐托架或者臨時支撐，當伸臂接近前方橋墩時，提前得到支撐。懸臂施工法在鋼梁橋的架設過程中工藝逐步完善，是一種很有效的施工方法，在大跨多跨橋梁的架設中經常應用。

2.2 半浮半拖施工法

半浮半拖的架設方法是取浮運施工法和縱向拖拉施工法2 種施工方法的優點，根據工程實際情況，經過變通的行之有效的施工方法。半浮半拖施工法是在浮船上建立臨時支墩，用卷揚機和導鏈牽引拖拉架梁，主要適合水深速緩、通航情況一般的情形，并且可以避免鋼梁懸臂太長。與拖拉架設法相比，浮拖架設法增加了1 個浮墩，容易控制撓度和應力的變化，并且能夠保證鋼梁的穩定性，浮拖所用的器材易拼裝、易控制、占用河道面積小、時間短、操作起來安全便捷。

2.3 浮運膺架法

浮運鷹架法是指在浮船上拼組膺架梁，拼組完成后，利用潮水高漲期，使用浮船將膺架梁浮運至待架鋼梁位置，待落潮時將膺架梁落于支墩上，最后將浮船拖出。膺架梁架設就位后，在其上架設鋼梁和施工平臺，并進行鋼析梁的拼裝。鋼梁拼裝完畢，用油壓千斤頂在鋼梁端部將鋼梁均勻水平頂起，然后拆除膺架上節點處支墩。在低潮時將浮船拖至膺架下面，利用漲潮將其整體托起，再拖出移至下一孔鋼析梁處進行拼裝架設。采用整體浮運膺架法架設多孔鋼析梁，膺架采用制式器材，一次拼裝就位，多次浮運架設，避免多次拆裝。新長鐵路長江輪渡北岸棧橋5 孔48m下承式栓焊鋼析梁即采用浮運膺架法架設。浮運膺架法架設鋼析梁，具有安全、方便、快速等特點，為在大江大河架設此類橋梁提供了一種新方法。

3 公路鋼桁橋穩定性影響因素分析

3.1 橫向風荷載對穩定系數的影響

根據橋梁所在地環境，參照《公路橋梁抗風設計規范》，計算下弦桿、上弦桿和加勁弦承受的橫向風力荷載如下：下弦桿：FH=8.04kN/m， 上 弦 桿：FH=13.74kN/m， 立 柱 和 加 勁 弦：FH=6.44kN/m，考慮橫向風荷載和彎扭藕合作用，計算大橋各個施工階段的穩定系數如表1 示：

由表1 可以看出，橫向風荷載對體系轉換、橫縱向內力調整穩定安全系數影響較大，對于吊裝橋面板和成橋工況的穩定系數影響較小。

表1 穩定系數表

表2 穩定系數表

表3 穩定系數表

表4 穩定系數表

表5 穩定系數表

表6 穩定系數表

表7 穩定系數表

3.2 橋面系剛度對穩定系數的影響

3.2.1 橫梁剛度對穩定系數的影響

對于三析或三析以上的大跨雙層寬橋面系橋梁結構，橋梁縱向剛度較大，橫向剛度較弱，橫梁剛度的大小將會影響橋梁結構的穩定性，本節考 慮 橫 梁 剛 度 折 減5%、10%、15%、20% 和 剛度 增 加5%、10%、巧%、20% 六 種 不 同 情 況，研究橫梁剛度對最大懸臂工況和成橋工況結構穩定系數的影響。本次計算考慮軸向力的影響計算的大橋穩定系數如表2 所示。

可以看出，穩定系數隨著橫梁剛度的變化而不斷變化，在最大懸臂工況下，穩定系數線形變化。而對于成橋工況，橫梁剛度對其穩定系數影響較小。考慮彎扭禍合作用，橫梁剛度變化對大橋穩定性的影響如表3 所示。

由表3 可以看出考慮彎扭禍合作用之后，橫梁剛度提高20%對最大懸臂工況穩定安全系數影響不夠顯著，對成橋工況影響也較小。

3.2.2 平聯剛度對穩定系數的影響

隨著懸臂施工的進行，主析橫梁所受的軸向力變大，橫梁穩定問題變的十分突出，在施工過程中縱梁不參與受力，橫梁僅靠平聯作為側向支撐。本節研究平聯剛度對結構穩定系數的影響，分別考慮平聯剛度折減5%、10%、15%、20%、 剛 度 增 加5%、10%、15%、20%。 本 次計算僅考慮軸向力影響的平聯剛度變化，穩定系數的變化如表4 所示。

可以看出，在施工工程中隨著平聯剛度的增大，穩定系數是成線形減小的，而平聯剛度對成橋階段穩定系數影響較小。

考慮彎扭藕合作用，計算最大懸臂工況和成橋工況大橋穩定系數的變化如表5 所示。

3.2.3 橋面板剛度對穩定系數的影響

大橋成橋之后橋面板與縱橫梁固結，橋面板提供了很大剛度，本節將橋面板剛度進行分別折 減5%、10%、15%、20%、 剛 度 增 加5%、10%、15%、20%，研究橋面板剛度對穩定系數的影響。通過施工階段穩定系數計算可以看出僅考慮軸向力和考慮彎扭禍合對成橋階段穩定系數沒有影響，因此本次計算僅考慮軸向力影響。橋面板剛度變化后穩定系數的變化如表6 所示。

3.3 縱橫梁連接方式對穩定系數的影響

3.3.1 縱梁是否參與受力對穩定系數的影響

按照傳統的鋼析架梁橋施工方法，隨著主析架懸臂架設，縱梁、平縱聯與平行弦、橫梁同步連接并上足高強度螺栓。對于東江大橋而言此種方法并不適用，東江大橋采用邊跨支架中跨懸拼的方式，如果采用此種施工方法，隨著懸臂施工的進展，主析架自重增加，下撓變形逐漸增大，由于縱梁的存在，橫梁會產生水平彎曲，彎曲變形又使得縱受到軸力而參與主析架的共同受力變形。為了減小施工過程中縱梁與主析的共同受力，安裝時縱梁與橫梁連接的螺栓不施擰，待橋面板吊裝完成后再進行終擰。在懸臂施工階段為了防止縱梁對橫梁產生面外彎矩，縱梁與橫梁的連接采用了長圓孔，縱梁對橫梁不產生軸向力，以達到縱梁不參與主析受力分配的目的。本小節對縱梁是否參與受力對結構穩定安全系數進行了分析計算，縱梁參與受力時結構穩定安全系數如表7所示。

可以看出縱梁參與受力之后結構施工過程中的穩定安全系數大大提高，反過來講，縱梁不參與受力雖然使得橫梁所受彎曲應力減小，但對施工過程中橫梁的穩定卻是不利的。

3.3.2 橫梁與主析連接方式對穩定系數的影響

本小節考慮橫梁與主析連接方式對穩定系數的影響，采用橫梁與主析鉸接有限元模型，計算施工過程中大橋的穩定安全系數如表8 所示，此次計算考慮彎扭禍合作用。

表8 穩定系數表

4 結 語

(l)計算了考慮橫向風荷載作用下的結構穩定安全系數并與不考慮橫向風荷載情況進行了對比，分析了各施工階段的穩定系數與失穩模態的變化情況。發現橫向風荷載對穩定安全系數的影響主要體現在最大懸臂、體系轉換、縱向內力調整等施工工況，在施工過程中，這幾個工況下的穩定系數都變小，在中跨頂升、吊裝橋面板以及成橋工況下，橋梁整體剛度增強較大，風荷載的影響比較小。

(2)計算并分析了橫梁剛度對最大懸臂工況和成橋工況穩定安全系數的影響，結果表明橫梁剛度變化對僅考慮軸向力影響情況下穩定安全系數影響顯著，呈現線形變化。對考慮彎扭藕合作用，雖然總體變化趨勢也成線形變化，但沒有前者明顯。橫梁剛度對成橋工況下穩定安全系數影響較小。

(3)計算并分析了平聯剛度變化對最大懸臂工況和成橋工況穩定安全系數的影響，結果表明隨著平聯剛度的增大，結構穩定安全系數反而降低。計算分析了橋面板剛度對成橋工況下穩定系數的影響，結果表明橋面板穩定安全系數隨著橋面板剛度的變化線形變化。

(4)計算分析了縱梁是否參與受力對各個施工工況穩定安全系數的影響，結果表明縱梁參與受力對結構穩定安全系數影響顯著，穩定安全系數提高明顯。

(5)計算分析了橫梁與主析連接剛度對各個施工工況穩定安全系數的影響，結果表明橫梁與主析剛接模型較橫梁與主析鉸接模型穩定安全系數更高。

本文對公路鋼桁橋施工過程進行了穩定性研究，主要研究了橫向風荷載、橫梁剛度、平聯剛度、橋面板剛度、縱橫梁連接方式、橫梁與主析連接方式等對鋼桁橋穩定性產生影響的因素，得出了一些結論，這些結論對于日后鋼桁橋的施工工程具有借鑒價值。

目前對公路鋼桁橋施工過程穩定性的研究還比較少，對鋼桁橋施工穩定性的研究絕大部分基于空間梁單元模型，而梁單元有限元模型對鋼桁橋連接節點剛度的模擬不夠準確，因此基于實體有限元模型的分析方法應該繼續探索。

[1]李國豪.橋梁結構穩定與振動(修訂版)[M].北京：中國鐵道出版社，2003

[2]陳驥.鋼結構穩定理論與設計(第三版)[M].北京：科學出版社，2003

[3]萬明坤.關于鋼析梁縱聯與橫聯計算中的一些問題[J].鐵道標準設計.1979-7