某鐵路80m系桿拱橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

甘旭東， 程遠(yuǎn)志

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

系桿拱橋是一種集拱與梁的優(yōu)點(diǎn)于一身的橋型，它將拱與梁兩種基本結(jié)構(gòu)形式組合在一起，共同承受荷載，充分發(fā)揮梁受彎、拱受壓的結(jié)構(gòu)性能和組合作用，拱端的水平推力用拉桿承受，使拱端支座不產(chǎn)生水平推力。系桿拱橋的拱肋和系梁均具有較大的剛度，結(jié)構(gòu)中布置各種橫撐和風(fēng)撐，使其不僅具有較大的豎向剛度，而且存在更大的側(cè)向剛度，因此能夠顯著增強(qiáng)拱肋的空間穩(wěn)定性。

1 橋型布置

根據(jù)相關(guān)要求及考慮，本橋采用如下布置：跨徑80m，梁的兩端簡支在墩臺上，系梁采用單箱雙室截面，梁高2.5m。拱肋采用合理拱軸線－－懸鏈線。失跨比為1：5，懸鏈線系數(shù)為1.167。拱肋截面為由兩根Φ800mm×16mm的鋼管和腹板組成高2.3m的啞鈴型。全橋共布置14根LZM7－61吊桿。6根橫撐和3根X撐。具體詳細(xì)橋型布置及相關(guān)尺寸如圖1和圖2所示。

對鋼管混凝土拱橋穩(wěn)定性，現(xiàn)在主流的分析方法就是利用有限元軟件進(jìn)行穩(wěn)定性分析，本文采用整橋模型利用彈性理論進(jìn)行穩(wěn)定性分析。計(jì)算中依據(jù)的規(guī)范如下：①《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》（TB10002.1－2005）；②《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10002.3－2005）。

2 線性穩(wěn)定性分析

2.1 模型介紹、材料參數(shù)及邊界條件

本文采用通用程序ANSYS空間建模計(jì)算，線性穩(wěn)定性分析時(shí)，對拱肋用Beam44單元模擬，單元特性中截面采用實(shí)際的組合截面，即用不同的材料特性表示混凝土與鋼材。對橫梁，橫撐均采用了Beam44單元進(jìn)行模擬，吊桿則采用Link10單元模擬。四個支座按照實(shí)際的情況分別約束。本拱橋的支座分別為橫向活動支座，縱向活動支座，多向活動支座和固定支座。在有限元模型中對四個支座處的自由度進(jìn)行約束。具體有限元模型如圖3所示。

2.2 荷載工況選取

為了計(jì)算各種情況下的穩(wěn)定性共選取了3種不同的工況進(jìn)行計(jì)算。分別是：恒載；恒載＋全橋均布活載；恒載＋半橋均布活載。恒載的大小為110KN/m，均布活載大小為100KN/m。

2.3 約束處理

按照實(shí)橋主梁底部的實(shí)際支座情況施加約束，即一個固定支座，一個橫向動支座，一個縱向活動支座，一個多向活動支座，具體布置如圖4所示。

2.4 理論依據(jù)

線彈性理論計(jì)算中不考慮結(jié)構(gòu)的各種初始缺陷、變形、假定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)處于彈性小變形范圍結(jié)構(gòu)內(nèi)力與外荷載成比例關(guān)系，把結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定分析轉(zhuǎn)化為求解特征值的問題，得到的最小特征值就是失穩(wěn)的臨界荷載。線彈性理論分析計(jì)算簡便，概念清楚，但是它的理論基礎(chǔ)是分支點(diǎn)穩(wěn)定理論，只能用于理想結(jié)構(gòu)，不能考慮各種初始缺陷的影響。

2.5 分析結(jié)果

（1）恒載作用下計(jì)算結(jié)果。恒載為全橋布置的110KN/m均布荷載。通過ANSYS彈性穩(wěn)定性分析計(jì)算得出其一階穩(wěn)定系數(shù)為8.386。其二階失穩(wěn)穩(wěn)定系數(shù)為9.009。由圖5和圖6可見，拱橋一階和二階失穩(wěn)為面外失穩(wěn)。

（2）恒載＋全橋均布荷載作用下計(jì)算結(jié)果。恒載為全橋布置的110KN/m均布荷載，活載大小為全橋布置的100K/m均布荷載。通過ANSYS彈性穩(wěn)定性分析計(jì)算得出其一階穩(wěn)定系數(shù)為6.925。二階失穩(wěn)穩(wěn)定系數(shù)為7.389。由圖7和圖8可見，拱橋一階和二階失穩(wěn)為面外失穩(wěn)。

（3）恒載＋半橋活載作用下計(jì)算結(jié)果。恒載為全橋布置的110KN/m均布荷載，活載為半橋布置的100KN/m的均布荷載。通過ANSYS彈性穩(wěn)定性分析計(jì)算得出其一階穩(wěn)定系數(shù)為7.707。二階失穩(wěn)穩(wěn)定系數(shù)為8.293。由圖9和圖10可見，拱橋一階和二階失穩(wěn)為面外失穩(wěn)。

（4）各種工況結(jié)果匯總以及橫撐布置對穩(wěn)定系數(shù)的影響。由以上計(jì)算結(jié)果可以得出結(jié)論，本拱橋穩(wěn)定系數(shù)在各種工況下從6.925到8.386滿足規(guī)范對于穩(wěn)定性的要求。

拱橋橋面以上有3個X撐和6個橫撐，為了考慮X撐和橫撐對橋梁穩(wěn)定性的影響，在原來的模型基礎(chǔ)上做了一些修改：去掉X撐、去掉橫撐以及同時(shí)去掉X撐和橫撐加上原模型共4種情況進(jìn)行了計(jì)算分析，分析結(jié)果如表1所列。

表1 4種荷載情況下計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)列表（一階失穩(wěn)）

分析表1中3種工況我們可以看出：恒載加上活載的穩(wěn)定系數(shù)要低于恒載單獨(dú)作用下的穩(wěn)定系數(shù)。活載中均布荷載越大其穩(wěn)定系數(shù)越低。僅除去X撐穩(wěn)定系數(shù)下降了約16.8%，僅除去橫撐穩(wěn)定系數(shù)下降了約9%，除去X撐和橫撐穩(wěn)定系數(shù)下降了約64%，由此可以看出在拱肋頂端的X撐和橫撐對穩(wěn)定的影響都十分的重要。其中拱肋頂部X撐對穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)要更大些。

3 結(jié) 論

由彈性分析可見，本橋穩(wěn)定性在三種工況下符合規(guī)范要求。拱頂布置的橫撐和斜撐布置合理，很好的提高了該橋的橫向穩(wěn)定性，限制了其面外失穩(wěn)。

［1］崔苗苗.鐵路鋼桁梁柔性拱橋極限承載力分析研究［D］.西南交通大學(xué)，2011.

［2］陳寶春，秦澤豹.鋼管混凝土（單圓管）肋拱面內(nèi)極限承載力的參數(shù)分析［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2004（4）：30－32.

［3］李勝利.預(yù)應(yīng)力混凝土系桿拱橋施工階段穩(wěn)定性分析［D］.鄭州大學(xué)，2005.

［4］何賡馀.高速鐵路系桿拱橋結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)參數(shù)研究［D］.西南交通大學(xué)，2006.

［5］韋建剛，陳寶春，吳慶雄.鋼管混凝土拱的穩(wěn)定系數(shù)曲線研究［A］.第十八屆全國橋梁學(xué)術(shù)會議論文集（下冊）［C］，2008.

［6］鄭振飛，陳寶春.鋼管混凝土拱橋計(jì)算理論研究進(jìn)展［A］；中國鋼協(xié)鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)協(xié)會第六次年會論文集（上冊）［C］，1997.

［7］孟 杰.系桿拱橋結(jié)構(gòu)體系研究［D］.湖南大學(xué)，2002.

［8］陳澤宇.PC系桿拱橋施工穩(wěn)定性分析［D］.西南交通大學(xué)，2010.

［9］劉 敏.鋼管混凝土拱梁組合橋穩(wěn)定性研究［D］.西南交通大學(xué)，2010.

［10］徐葉琴.大跨度鋼管混凝土拱橋橫向穩(wěn)定性和橫向抗震性分析［D］.浙江大學(xué)，2005.