鋼管砼拱橋不同拱肋截面對拱橋穩定性能的影響

張銀松

（中鐵物資集團港澳有限公司， 廣東 珠海 519070）

1 建立有限元模型

本橋模型為鋼管混凝土拱橋結構，其中采用中承式有推力鋼管混凝土，參數如下：跨徑R=248m，矢高比i=1/4，拱軸線采用m=1.5 的懸鏈線。橋梁全寬為主橋拱肋與橋道系相交部位之間寬度，關于行車道程對稱布置，具體參數如下：15m（行車道） +2×2.75m（拱肋） +0.075m+0.5m（護欄），橋道系全寬16m；為了方便整體橋梁的維護與檢修，在吊桿范圍內橋道系兩側分別加寬了1m 檢修通道，拱肋范圍內間距由此增加到18m。采用梁單元模擬梁上、下雙橫啞鈴型弦桿、橫撐、拱上橫梁、立柱和吊桿橫梁，梁上、下雙橫啞鈴型弦桿以腹桿，用桁架單元模擬吊桿，橋面系采用梁格法建立梁單元模擬，鋼管和混凝土的相互作用以施工階段聯合截面模擬。

2 設計荷載

1） 結構自重：混凝土重力密度采用26kN/m3，鋼材重力密度采用78.5kN/m3，瀝青混凝土重力密度采用20 kN/m3；

2） 溫度荷載：溫度影響按升溫23℃，降溫25℃考慮，合攏溫度取15℃；主拱溫度梯度效應按上管8℃、下管0℃計算；

3） 汽車活載：汽車活載采用公路-Ⅰ級，按四車道加載并以規范的折減值進行計算。活載沖擊系數取0.063；主拱橫向分布系數取1.16；

4） 風荷載：靜風荷載按《公路橋涵設計通用規范》(JTGD60-2004) 第4.3.7 條計算，基本風速取V10=24.5m/s；

5） 徐變變形：主拱徐變效應按主拱降溫15℃計算；

6） 支座位移：考慮拱座豎直沉降及水平后移1.5cm；

7） 地震作用：地震效應按《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T B02-01-2008） 的規定，取設防烈度7 度（0.1g），設防類別A 類，場地類別I 類。

3 鋼管混凝土拱橋不同拱肋截面的穩定分析

拱式結構是橋梁結構中的主要受力構件之一，隨著鋼管混凝土拱橋的跨徑逐漸增大，截面尺寸逐漸減小，拱肋做的越來越纖細，由于拱肋長細比增大，因此，結構的穩定性成為影響結構承載力的一個關鍵因素；眾所周知，結構不穩定導致的事故往往是災難性的，故在大跨拱式結構橋梁設計分析中，結構的穩定性分析是必不可少的一個重要部分。在此利用Midas Civil 有限元軟件對三種參數下大跨拱式結構橋梁的結構建立模型，進行線性穩定分析。

拱圈或者拱肋是拱式結構中主要承重構件，作用在拱上的荷載超過某一臨界值時，拱肋出現失穩破壞。拱的失穩分為面外失穩和面內失穩。拱肋截面提供正剛度，作用在拱肋結構上載荷大多以受壓為主，其壓應力產生負剛度，壓應力產生的負剛度隨著壓力荷載逐漸遞增而增大，當負剛度恰好完全抵消掉拱肋截面提供的正剛度時，此時載荷達到臨界值，結構即將出現失穩破壞。

結構穩定性方程可以由如下表示：

([KD]+λ [KG]) ({δ} + {Δδ}) =λ {F}其中符號含義如下：[KD]：彈性剛度矩陣，包括抗彎剛度矩陣和拉壓剛度矩陣；[KG]：幾何剛度矩陣，拱肋中主要是由初始軸向應力產生。

當上式中的剛度矩陣[KD]+λ [KG]變為[0]時，結構所受載荷達到臨界值，發生失穩破壞。

利用有限元軟件建立空間模型，計算結構在三種拱肋截面參數下對鋼管混凝土拱橋穩定系數計算對比：

由圖可以看出，在常量恒載荷載作用下，不同拱肋的穩定系數曲線變化趨勢基本一致，即不同拱肋結構的穩定系數隨著模態階數的增加而增大，其原因在于產生高階模態需要消耗更高的能量。由前文三種拱肋截面剛度分析可知：四肢桁架拱截面剛度最小，被幾何剛度消弱的最快，故其穩定系數也最小；綴板填砼雙橫啞鈴型拱肋和綴板不填砼雙橫啞鈴型拱肋的截面剛度相差不大，被幾何剛度消弱的也較慢，因此，二者的穩定系數均比較高；由圖還可以看出，穩定系數最高的為綴板填砼雙橫啞鈴型拱肋，但是與不填砼雙橫啞鈴型拱肋相差較小，隨著階數提高二者趨近相等。

4 結語

針對三種結構的穩定性進行了有限元分析，得到了三種結構的屈曲模態和特征值，結果表明雙橫啞鈴型拱肋（綴板填砼） 和雙橫啞鈴型拱肋（綴板不填砼） 穩定系數相差不大，穩定性較好，桁架拱穩定系數最小。