大跨徑飛燕式異型拱橋穩定性分析

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，其結構形式日益豐富，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展的一個重要因素就是其穩定問題。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，主橋結構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的兩根外旋穩定拱肋組成，形成優美的空間造型，穩定拱肋分別向兩側外旋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，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域的橋面內設置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 結構計算模型

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，二者共用節點，共同協調受力變形［2］。本橋模型的邊界條件為：在兩個承臺底面固結，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 穩定分析

3.1 荷載工況

為了對比分析，文中的穩定計算中選取了以下幾種可能的不利荷載工況：

1)結構自重+二期恒載;2)結構自重+二期恒載+風荷載; 3)結構自重+二期恒載+全橋滿布車道荷載和人群荷載;4)結構自重+二期恒載+半橋滿布車道荷載和人群荷載。

3.2 穩定分析結果

3.2.1 線彈性穩定分析

在本橋的穩定分析中，首先進行線彈性穩定計算，它是結構穩定分析的常規方法，表1是四種荷載工況下的線彈性穩定系數與其失穩模態。

表1 線彈性穩定計算結果

從表1計算結果可以看出，風荷載對此類結構的穩定性影響很小，通常情況下可以不考慮風荷載的影響。由分析結果表明，本模型四種工況下的最不利線彈性穩定系數為13.76，滿足規范要求。

3.2.2 非線性穩定分析

在本實例橋梁的成橋穩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。分析結果見表2。

表2 四種工況下穩定系數對比情況

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

3.3 影響因素探討

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

3.3.1 穩定拱側傾角的影響

利用ANSYS建立了不同拱肋側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模態。結果如表3所示。

表3 拱肋傾角變化下的穩定系數表

由表3可知：本橋的穩定系數隨穩定拱肋外傾角大小的變化規律為：在一定的角度范圍內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來對比分析拱肋剛度對全橋穩定性產生的影響。結果見表4。

表4 不同拱肋剛度下拱橋穩定系數

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構的穩定性。

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定安全系數，結果見表5。

表5 不同矢跨比下的穩定系數

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定安全系數也在不斷地增大。在圖中前半段的變化率較大，而后半段的穩定安全系數的變化幅度較小。在穩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 結語

本文利用有限元軟件ANSYS建立實橋模型進行整體穩定性分析，結論歸納如下：

1)在本橋的有限元分析中，幾種工況下的最低階失穩模態均為面外側傾失穩，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)本橋的穩定系數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定分析得出的穩定系數更安全一些。

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

［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定性分析［J］.山西交通科技，2007，10(5)：67-70.

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