勁性骨架混凝土拱橋拱肋吊裝階段穩(wěn)定性分析

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

近年來，隨著我國橋梁設(shè)計向大跨徑方向發(fā)展的趨勢，鋼管混凝土勁性骨架拱橋成為了極富競爭力的橋型之一。鋼管混凝土勁性骨架拱橋為內(nèi)設(shè)鋼管桁架結(jié)構(gòu)，外包混凝土的一種結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了鋼材和混凝土的作用。其中鋼管勁性骨架結(jié)構(gòu)一般采用纜索吊裝法施工，拱肋節(jié)段依靠扣索力保持結(jié)構(gòu)平衡，但是隨著吊裝施工的進行，這種平衡很容易在外力作用下發(fā)生改變，從而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)破壞，因此其穩(wěn)定性問題常常也成為制約鋼管混凝土向大跨度發(fā)展的主要因素之一，本文將對一座在建勁性骨架混凝土拱橋拱肋吊裝過程進行穩(wěn)定性分析。

一、工程概況

某橋為一座跨徑為200m的上承式鋼筋混凝土拱橋，凈矢高40m，拱軸線為懸鏈線，采用勁性骨架法施工，截面為單箱雙室。設(shè)計荷載標準為公路-Ⅰ級，橋面寬度為12.0m，其立面布置圖如圖1所示。

圖1 立面布置圖(單位：m)

二、彈性穩(wěn)定分析

橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接決定結(jié)構(gòu)的極限承載能力和正常使用條件下的承載能力。穩(wěn)定破壞是指結(jié)構(gòu)內(nèi)部的抵抗力與荷載之間發(fā)生了不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變形急劇增大發(fā)生破壞，故穩(wěn)定問題屬于結(jié)構(gòu)或某個構(gòu)件的變形問題。本文實際工程在穩(wěn)定平衡狀態(tài)，考慮到軸向力對彎曲變形的影響，根據(jù)勢能駐值原理得到結(jié)構(gòu)的平衡方程為：

([KE]+[KG]){U}={P}

式中：[KE]為結(jié)構(gòu)的彈性剛度矩陣；[KG]為結(jié)構(gòu)的幾何剛度矩陣，也稱為初應(yīng)力剛度矩陣；{U}為節(jié)點位移向量；{P}為節(jié)點荷載向量。

上式是幾何非線性分析的平衡方程，為了隨遇平衡狀態(tài)，應(yīng)使系統(tǒng)勢能的二階變分為零，即：

([KE]+[KG]){δU}=0

因此必有：

|[KE]+[KG]|=0

可知：

([KE]+λi[KG]){φi}=0

式中，{φi}為與λi對應(yīng)的特征向量，是相應(yīng)該階屈曲荷載時結(jié)構(gòu)的變形形狀，即屈曲模態(tài)或失穩(wěn)模態(tài)。

三、拱肋吊裝階段穩(wěn)定性分析

本文采用Midas Civil有限元仿真分析軟件，建立有限元仿真分析模型，定義拱肋安裝施工階段，借助軟件中屈曲分析模塊，計算該橋拱肋安裝過程中的穩(wěn)定性安全系數(shù)。

(一)有限元模型建立

勁性骨架均采用梁單元模擬，臨時扣索采用桁架單元模擬，外包混凝土采用板單元模擬。建立包括扣錨索、塔架、拱圈一體化的有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

(二)彈性穩(wěn)定系數(shù)

橋梁工程中有關(guān)穩(wěn)定系數(shù)的定義方式較多，本文中將穩(wěn)定系數(shù)定義為：

屈曲荷載=屈曲系數(shù)λ×(可變荷載+恒載)

其中可變荷載主要為索力，恒載為自重，這種定義方式求得的穩(wěn)定系數(shù)為最小的穩(wěn)定系數(shù)，可以最大限度的了解結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。勁性骨架節(jié)段吊裝階段彈性穩(wěn)定安全系數(shù)如表1所示。

表1 彈性穩(wěn)定安全系數(shù)

從表1可以看出，節(jié)段開始安裝階段穩(wěn)定系數(shù)緩慢增大，到安裝第4#節(jié)段時，穩(wěn)定系數(shù)大幅減小，但安裝第7#節(jié)段時，穩(wěn)定系數(shù)增大到48.1，然后又逐漸減小，松索成拱后達到最小為11.1。雖然各階段的穩(wěn)定系數(shù)大于實際工程要求最低系數(shù)4.0，但是隨著施工過程的進行，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性在不斷發(fā)生變化，這與結(jié)構(gòu)的重量，索力的大小等密切相關(guān)，同時也會不可避免的受到其它外部作用的干擾，因此在勁性骨架混凝土拱橋施工時，應(yīng)在骨架合龍后及時澆筑外包混凝土，保證結(jié)構(gòu)安全。

四、結(jié)語

通過對勁性骨架節(jié)段安裝過程中穩(wěn)定性分析表明隨著拱肋節(jié)段的增多，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性處在一個動態(tài)的變化過程中，合龍后穩(wěn)定性最低。在實際施工過程中，應(yīng)當(dāng)時刻監(jiān)測吊裝過程的穩(wěn)定性，確保安全施工，保證大橋順利建成。