橫撐對(duì)下承式鋼箱系桿拱橋穩(wěn)定性影響分析

徐超

(中國(guó)華西工程設(shè)計(jì)建設(shè)有限公司,四川 成都610030)

拱橋作為一種常用的橋梁形式,應(yīng)用廣泛。隨著拱橋跨徑增加,拱橋的橫撐對(duì)其穩(wěn)定性有重要影響。本文以淮州灣大橋?yàn)檠芯繉?duì)象,采用Midas軟件研究分析了“中國(guó)結(jié)”式橫撐對(duì)拱圈穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

淮州灣大橋位于成都市金堂縣淮州新城。大橋全長(zhǎng)421m,包括主橋和引橋,其跨徑布置為5×30m+145m+4×30m。主橋采用1-145m下承式鋼箱拱橋跨越沱江,兩側(cè)引橋分別采用5×30m及4×30m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。主橋?yàn)槲寮?jí)航道,橋梁縱坡3.48%(人字坡)。橋梁寬度為主橋34m,兩側(cè)引橋30m。從美觀以及文化角度考慮,該橋梁采用了“中國(guó)結(jié)”式橫撐。圖1為淮州新城淮州灣大橋效果圖。

圖1 橋梁效果圖

橋位區(qū)地貌上屬成都平原沱江水系Ⅰ級(jí)階地沖洪積平原地貌及低山丘陵斜坡地貌。橋位處河流較為平順。河漫灘分布沖洪積卵石土,斜坡受坡表沖溝及人工改造的影響,地形呈陡緩相間的階梯狀臺(tái)地呈帶狀分布,表層被素填土及粉質(zhì)粘土覆蓋。工程區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單,在區(qū)域構(gòu)造上隸屬新華夏系一級(jí)沉降帶～四川盆地西部邊緣的龍泉山褶皺帶。工程區(qū)處于龍泉山大背斜以東,但距離背斜核部較遠(yuǎn),對(duì)線路影響較小。

淮州灣大橋及連接線建設(shè)工程的建設(shè),其一是完善作為金堂縣國(guó)家級(jí)小城鎮(zhèn)建設(shè)重點(diǎn)鎮(zhèn)的(淮口鎮(zhèn))路網(wǎng)體系,其二是解決近期及遠(yuǎn)期淮口鎮(zhèn)交通壓力問(wèn)題,其三是便利沱江兩岸人民的出行往來(lái),縮短行程。

2 穩(wěn)定問(wèn)題的基本理論

隨著橋梁的不斷發(fā)展,橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是影響橋梁安全和經(jīng)濟(jì)的主要問(wèn)題之一,橋梁失穩(wěn)是橋梁工程中普遍存在的一種現(xiàn)象。根據(jù)相應(yīng)的失穩(wěn)計(jì)算理論,我們可以把失穩(wěn)分成兩種:第一種是分支點(diǎn)穩(wěn)定問(wèn)題,當(dāng)結(jié)構(gòu)受到的荷載接近臨界荷載時(shí),構(gòu)件不僅能夠保持最初的均衡,還可能出現(xiàn)第二種均衡狀態(tài)；第二種是極值點(diǎn)失穩(wěn)問(wèn)題,即結(jié)構(gòu)保持均衡狀態(tài)時(shí),隨著荷載的增加,這一結(jié)構(gòu)應(yīng)力較集中的地方可能發(fā)生塑性變形,荷載不斷增加,當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí),可能會(huì)瞬間產(chǎn)生較大變形。當(dāng)荷載達(dá)到某一數(shù)值后,停止加載,變形也持續(xù)增大,直到結(jié)構(gòu)破壞。

下面討論第一類問(wèn)題,分支點(diǎn)穩(wěn)定問(wèn)題的有限元矩陣方程是:

式(5)就是分支點(diǎn)穩(wěn)定穩(wěn)定問(wèn)題的控制方程。

找出失穩(wěn)模態(tài)下的特征向量,計(jì)算最小特征值 λ,即可得出安全系數(shù)。于是,通過(guò)求解方程最小特征值,便可解決穩(wěn)定問(wèn)題。

3 穩(wěn)定性分析

3.1 計(jì)算模型與方法

3.1.1 材料

3.1.1.1 鋼材:主梁及主拱采用Q345qCNH鋼,E=2.1 ×105MPa,G=0.81×105MPa。

3.1.1.2 混凝土:蓋梁及墩柱采用C40,E=3.25 ×105MPa,承臺(tái)及樁基采用C40,E=3.15 ×105MPa。

(E——彈性模量,G——剪切模量。)

3.1.2 計(jì)算荷載

3.1.2.1 恒載

鋼材78.5 kN/m3,鋪裝24kN/m3。

3.1.2.2 汽車及人群荷載

設(shè)計(jì)荷載:公路－Ⅰ級(jí)(城-A級(jí)校核)及人群荷載(3.0 kN/m2)。

3.1.2.3 溫度荷載

橋梁升溫35℃、降溫30℃,主梁及主拱溫度梯度10℃。

3.1.2.4 風(fēng)荷載

按基準(zhǔn)風(fēng)速為24.5 m/s計(jì)算。

3.1.2.5 地震作用

根據(jù)規(guī)范可知,淮州灣大橋?qū)儆谝患?jí)公路兼城市主干路,跨度為145m,橋梁抗震設(shè)防類別為B類。

3.1.3 荷載組合

3.1.3.1 組合一:恒載。

3.1.3.2 組合二:恒載＋汽車+人群荷載。

3.1.3.3 組合三:恒載＋汽車+人群荷載+溫度+風(fēng)載。

3.1.3.4 組合四:恒載＋E1地震荷載。

3.1.3.5 組合五:恒載＋E2地震荷載。

3.1.4 計(jì)算模型

建立Midas Civil 8.32 空間桿系及板單元模型(除橋面板及拱梁結(jié)合段底板選取板單元,其余選取梁?jiǎn)卧?吊桿選取只受拉桁架單元),計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型

3.2 計(jì)算結(jié)果

采用Midas Civil軟件,對(duì)主橋進(jìn)行穩(wěn)定性分析(汽車、人群及風(fēng)荷載考慮為靜力荷載),得出其前4階屈曲模態(tài),其狀態(tài)和系數(shù)如下:

圖3 前4階屈曲模態(tài)

表1 前4階段屈曲模態(tài)穩(wěn)定系數(shù)

計(jì)算結(jié)果顯示,主橋在運(yùn)營(yíng)階段(考慮汽車活載),穩(wěn)定性最小值為10.39 (該值一般大于4.0 即可認(rèn)為其滿足要求)。

4 結(jié)論

淮州灣大橋橫撐考慮美觀因素,采用了“中國(guó)結(jié)”式的橫撐,為分析橫撐帶來(lái)的穩(wěn)定性影響,基于第一類穩(wěn)定性基本理論,利用Midas Civil,建立三維模型,研究主橋穩(wěn)定性,得出其前4階屈曲模態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù),均滿足規(guī)范要求,故“中國(guó)結(jié)”式橫撐不僅滿足美觀要求,也滿足了穩(wěn)定性要求。