探討鋼管混凝土拱橋的穩(wěn)定性及極限承載力

董鸝寧

摘 要：一直以來，在公路和城市橋梁的建設(shè)過程中，鋼管混凝土拱橋都因其具有造型優(yōu)美、跨越能力大、工程造價(jià)低、以及維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用少等顯著特點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用。然而，鋼管混凝土拱橋也具有一定的局限性，尤其是應(yīng)用于大跨度鋼管混凝土拱橋中時(shí)，由于其寬跨小，且剛度弱，所以非常容易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，或超出極限承載力的現(xiàn)象。鑒于此，本文運(yùn)用了有限單元法建立了相應(yīng)的計(jì)算模型，以此為基礎(chǔ)，分析了鋼管混凝土拱橋的失穩(wěn)模態(tài)和臨界荷載，以期為更好地設(shè)計(jì)鋼管混凝土拱橋貢獻(xiàn)一份力量。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土；拱橋；穩(wěn)定性；極限承載力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.081

0 前言

隨著科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將其應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)工程中，不僅有助于縮減勞動(dòng)力成本，而且還有助與提高效率和精確度。其中，有限元技術(shù)就是計(jì)算機(jī)應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)工程中的一種現(xiàn)代計(jì)算方法[1]。鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題即結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，主要是指其在外界干擾的影響下，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形、破壞，進(jìn)而喪失承載能力的問題。從空間形態(tài)上可以分為面內(nèi)失穩(wěn)、和面外失穩(wěn)；從性質(zhì)上可以分為一類穩(wěn)定（也稱分支點(diǎn)失穩(wěn)）和二類穩(wěn)定（也稱極值點(diǎn)失穩(wěn)）。然而，無論是哪一類失穩(wěn)問題，其所導(dǎo)致的危害都是非常嚴(yán)重的。同時(shí)，拱橋作為一種壓彎結(jié)構(gòu)，其所能承受的極限承載力也是工程師最為關(guān)心的問題。鑒于此，本文從以下兩個(gè)方面進(jìn)行了論述。

1 計(jì)算模型

1.1 研究對象

本文以某鋼管混凝土拱橋下承式系桿拱橋?yàn)檠芯繉ο?，其主橋的?jì)算跨徑為150m。拱肋主要是鋼管混凝土桁肋，橋面主要是以預(yù)應(yīng)力鋼箱空心板組合為結(jié)構(gòu)，橋墩所采用的則是鋼管混凝土土柱。

1.2 材料參數(shù)

鋼管混凝土拱橋所采用的材料參數(shù)為：①拱肋內(nèi)砼（C50），彈性模量35GPa，泊松比0.167，材料密度2500kg/m3；②橋面板部分（C30），彈性模量30GPa，泊松比0.167，材料密度2500kg/m3；③吊桿部分，彈性模量195GPa，泊松比0.3，材料密度7800kg/m3；④鋼材部分，彈性模量210GPa，泊松比0.3，材料密度7800kg/m3。

1.3 計(jì)算模型

本文以通用大型有限元軟件ANSYS為基礎(chǔ)，建立計(jì)算模型。同時(shí)，采用空間梁單元模擬，對全橋進(jìn)行建模，其中共有22185個(gè)單元，21164個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2 結(jié)果分析工

一般而言，在實(shí)際施工的過程中，大部分的桿件所面臨的失穩(wěn)問題都是二類穩(wěn)定，也就是極值點(diǎn)失穩(wěn)。因此，本文以靜力分析為基礎(chǔ)，探討了鋼管混凝土拱橋自重工況下的穩(wěn)定性和滿載工況下的穩(wěn)定性，進(jìn)而分析鋼管混凝土拱橋的穩(wěn)定性和極限承載力。

2.1 穩(wěn)定性分析

由表1可知：在自重條件下，鋼管混凝土拱橋發(fā)生第一階失穩(wěn)的條件是作用于拱橋的力達(dá)到自重的3.69倍，這將會(huì)導(dǎo)致拱肋左右搖擺，而此時(shí)的風(fēng)撐能力能夠發(fā)揮較大的作用；第二階失穩(wěn)的條件是作用于拱橋的力達(dá)到自重的6.20倍，這將會(huì)導(dǎo)致拱肋將呈現(xiàn)S曲線，而此時(shí)的風(fēng)撐還未出現(xiàn)較大變形；第三階失穩(wěn)的條件是作用于拱橋的力達(dá)到自重的7.09倍，此時(shí)S曲線有較大的變形，且明顯看出風(fēng)撐的變形；第四階失穩(wěn)的條件是作用于拱橋的力達(dá)到自重的8.90倍，此時(shí)拱肋將從一端的拱腳處同時(shí)向外拉開，且在較大變形的地方出現(xiàn)一字型風(fēng)撐承受的拉力較大。

2.2 極限承載力分析

由表2可知：在滿載條件下，鋼管混凝土拱橋發(fā)生第一階失穩(wěn)的條件是作用于拱橋的力達(dá)到滿載時(shí)的力的3.22倍，這將會(huì)導(dǎo)致鋼管混凝土拱肋左右搖擺，而此時(shí)的風(fēng)撐能力能夠發(fā)揮較大的作用；第二階失穩(wěn)的條件是作用于拱橋的力達(dá)到滿載時(shí)的力的5.23倍，這將會(huì)導(dǎo)致鋼管混凝土拱肋將呈現(xiàn)S曲線，而此時(shí)的風(fēng)撐還未出現(xiàn)較大變形；第三階失穩(wěn)的條件是作用于拱橋的力達(dá)到滿載時(shí)的力的5.98倍，此時(shí)鋼管混凝土拱肋出現(xiàn)雙S曲線，且發(fā)生有較大的變形，同時(shí)也已明顯能看出風(fēng)撐變形；第四階失穩(wěn)的條件是作用于拱橋的力達(dá)到滿載時(shí)的力的7.51倍，此時(shí)鋼管混凝土拱肋將從一端的拱腳處同時(shí)向外拉開，且在較大變形的地方出現(xiàn)一字型風(fēng)撐承受的拉力較大。

3 結(jié)論

總之，鋼管混凝土拱橋以鋼管混凝土作為主拱承壓的主要結(jié)構(gòu)材料，不僅能夠相對比較有效地解決拱橋材料高強(qiáng)化問題，還能夠有效地解決拱圈施工輕型化問題。因此鋼管混凝土拱橋應(yīng)用的范圍也十分廣泛，如上承式拱橋、中承式拱橋、以及下承式拱橋等等。然而，在實(shí)際施工過程中，

鋼管混凝土拱橋穩(wěn)定性不足主要是受到了拱肋矢跨比、拱肋剛度、以及荷載組合等等諸多因素的影響。因此，運(yùn)用有限單元法探討鋼管混凝土拱橋的穩(wěn)定性及極限承載力，進(jìn)而總結(jié)出不同荷載下鋼管混凝土拱橋的失穩(wěn)模態(tài)和極限承載力，希望能夠?yàn)殇摴芑炷凉皹蛟谠O(shè)計(jì)方面和施工方面提供科學(xué)合理的指導(dǎo)和幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉月亮.鋼管混凝土拱橋主拱穩(wěn)定性研究[J].黑龍江科技信息，2017（08）：250-251.endprint