斜靠式拱桥拱肋倾角变化对稳定性能的影响--《铁道科学与工程学报》2009年01期
斜靠式拱桥拱肋倾角变化对稳定性能的影响
【摘要】：采用有限元软件M IDAS/C ivil建立平顶山市城东河路湛河斜靠式拱桥的空间有限元计算模型,分7种设计方案探讨斜靠式拱桥主拱和稳定拱肋的倾角变化对桥梁稳定性能的影响。计算结果表明,斜靠式拱桥的稳定性能较好,各方案的稳定系数均大于7;主拱肋倾角的增大有利于提高斜靠式拱桥低阶稳定性能;稳定拱肋倾角的增大不利于提高斜靠式拱桥稳定性能,在进行斜靠式拱桥设计时稳定拱肋的倾角不宜太大,以8°~10°为宜。
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斜靠式拱桥是在提篮拱桥基础上发展起来的一种新型桥型,由4片拱肋组成,内侧为2片竖直或向外倾斜的主拱肋,主拱肋外侧各有1片向内倾斜的稳定拱肋,每侧的主拱肋和稳定拱肋构成人行桥的空间。由于斜靠式拱桥在2片主拱肋之间不设置横向联系,而是由稳定拱撑住主拱,利用稳定拱肋与
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京公网安备75号钢拱肋提篮拱桥内倾角对横向稳定的影响
&钢拱肋提篮拱桥内倾角对横向稳定的影响
　　摘要：以某三跨中承式钢拱肋拱桥为原型，采用有限元分析方法，研究了钢拱肋提篮拱桥的拱肋侧倾角对横向稳定的影响。结果表明：随着内倾角的增大，横向稳定系数增大；并且存在一个合理内倾角，在满足稳定性要求的同时也有一定的经济性。
　　关键词：有限元；提篮拱；稳定系数；合理内倾角；
　　随着跨度的增大，拱桥的宽跨比迅速减小，其横向稳定问题显得越来越突出。特别是大型拱桥，很多都是横向稳定控制[1]。提篮拱桥通过将拱肋向桥轴线方向倾斜而形成空间拱式结构，从而提高整体横向稳定性。但是，内倾角也不是越大越好。当内倾角达到一定程度之后，拱顶间距过小，该处拱肋组合横向刚度过小，反而会降低拱桥的整体稳定性[2]。因此，对于提篮拱桥来说，存在一个合理的内倾角，使得拱桥整体稳定性最好，而且有一点的经济性。
　　目前，国内外学者对钢管混凝土拱桥的横向稳定研究很多，但是对于钢箱拱肋的三跨飞燕式拱桥的侧倾角对于横向稳定的影响研究较少。本文即以某钢拱肋飞燕式提篮拱桥为例，采用有限元方法，对以上问题进行研究。
　　1稳定性分析的基本理论
　　结构失稳有两种根本不同的形式，即分支点失稳和极值点失稳，对应两类分析方法：第一类为线弹性特征值屈曲问题，用于确定一个理想弹性结构的理论屈曲强度；第二类为极值点问题，即考虑了结构几何非线性和材料非线性情况下的极限承载力问题。两类问题有良好的相关性，第一类往往代表着第二类稳定性问题的上限，所以工程中通常以第一类稳定问题的计算结果作为设计的依据。
　　具体对于拱肋来说，由于其是一种主要承受压力的平面曲杆体系，因此，当拱肋所承受的荷载达到一定的临界值时，整个拱肋就会失去平衡的稳定性：或者在拱的平面内发生纯弯屈曲，或者倾出平面之外发生弯扭侧倾。
　　2计算模型的建立
　　（1）桥梁简介
　　本桥全长300m（伸缩缝中心线间距），跨径布置为45m+210m+45m，为三跨飞燕式系杆提篮拱桥，整体造型优雅美观。主跨理论跨径210m，矢高为48m，矢跨比为1/4.4，设计拱轴线采用二次抛物线。边拱理论跨度为43m，矢高11.15m，矢跨比为1/3.86。边跨拱肋为箱型混凝土拱肋，主跨拱肋根部为箱型混凝土拱肋，中间为钢拱肋，并设置3m钢混结合段。吊杆及立柱间距均为6m，如图1所示。
　　（2）横撑样式
　　本桥以跨中为中心，间距18m对称布置7道钢横撑，横撑顶板板厚20mm，腹板厚16mm，横撑高度与对应位置拱肋高度一致，宽2m，如图2所示。
　　（3）模型建立
　　计算有如下假定：
　　1）变化拱肋倾角时，拱脚宽度是变化不变的，在拱肋和桥面同高的地方及拱顶拱肋间距随内倾角变化而变化；
　　2）拱肋的横撑样式及间距不变；
　　3）边界条件不变；
　　除了吊杆及系杆采用桁架单元之外，其余如拱肋、主梁等均采用三维梁单元来模拟。
　　本桥拱肋内倾角为8&，两侧拱肋形成16&夹角，拱脚相距34.8m，拱顶中心线相距21.308m。
　　建立的成桥模型如图3所示。
　　3实际设计计算结果
　　对于平行拱肋的拱桥，规范一般通过规定其宽跨比来保证其横向稳定性，但对于提篮拱桥，规范中没有相应规定。而且，提篮拱桥两类之间的宽度也是变化的，因此不便用宽跨比来规定，故采用有限元分析方法。
　　本文采用线弹性分析方法，对该桥的实际设计进行稳定性分析，得到在恒载作用下的前五阶屈曲稳定安全系数及失稳模态，见表1。其中低阶失稳模态图见图4。&
　　根据我国《公路桥梁设计规范》，要求第一类稳定系数&&4,可知，本桥实际设计方案的稳定性满足要求，且其第一类失稳由面外失稳来控制。
　　4不同内倾角下计算结果
　　为了研究本桥的稳定性，下面讨论不同参数下其稳定性的影响，为同类桥梁提供参考。
　　由之前计算结果可知，本桥前五阶失稳模态均为主拱的侧倾失稳，因此更改相应的参数就可以找到影响其稳定性的参数规律。一般来说，对于大跨径组合体系桥，拱脚的支撑条件、拱肋的内倾角、横撑布置等均对横向稳定有影响，在此只讨论拱肋内倾角对整体稳定性的影响。限于篇幅，以下稳定均以线弹性为基础的第一类稳定，加载全部采用恒载。
　　分别选取内倾角为0&（即平行拱肋）、4&、6&、10&和14&、18&等六种不同情况，与实际设计中内倾角为8&进行比较。
　　分析结果：在以上工况对模型进行线弹性稳定分析，得到如表1所示的稳定性安全系数。
　　各个情况下的低阶失稳模态如图4、5、6所示。
　　表2稳定系数随内倾角的变化表
　　图6稳定安全系数&与内倾角&的关系
　　比较表内数据及对应失稳模态图，可以看出大跨径钢箱系杆拱桥稳定性有如下特点：
　　①随着拱肋内倾角的增大，面外稳定系数不断的增大，当倾角小于12&时，内倾角的增大对稳定安全系数影响较大，&与&的关系曲线急剧上升，稳定安全系数提高十分明显；但是当内倾角大于12&后，曲线变化平缓，此时通过增大内倾角来提高横向稳定性的作用不明显。
　　②总的来说，提篮拱桥稳定性比平行拱肋要高很多。X型拱肋横向刚度的提高，不是由于拱肋截面的变化，而是靠两肋间距变化，因此，在拱肋刚度提高的同时，拱肋的自重与材料没有发生变化，也没有增加横撑的工程量，也因此具有较大的经济性。
　　③内倾角的增大会使下部结构工程数量增大，而且拱肋的内倾角越大，施工的困难也越大。因此需要综合考虑提篮拱桥的内倾角，使得它的受力性能与经济性能都能达到较好的效果。例如本桥实际设计中，内倾角选择8&，稳定性得到保证的同时，施工难度也较为合适。
　　本文借助有限元程序分析了不同的内倾角下，飞燕式钢拱肋提篮拱桥的横向稳定问题。通过分析，可以知道，在本桥原有设计中，内倾角选择为8&是较为合理的。在弹性阶段，具有内倾角的提篮拱比平行双肋拱具有更大的横向刚度。由于拱肋的内倾角使得拱肋相互间通过横撑形成了横向支撑体系，并减小了横撑的自由长度的缘故，所以在横向稳定而言，提篮拱比平行双肋拱更有利。随着内倾角的增大，本桥的面外稳定系数逐渐增大。综合考虑受力性能及经济因素，12&附近为合理内倾角。
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钢管混凝土拱桥稳定性研究
拱桥以其跨越能力大、承载力高、空间利用率高、节省材料、造价低和外形流畅美观为特点，成为长盛不衰、不断发展的桥梁形式。随着跨径的增大，刚度越来越柔，作为以受压为主的结构，稳定成为制约其发展的关键因素之一。论文应用有限元分析软件MIDAS/Civi16.71对涡河三桥(钢管混凝土拱桥)建立了三维空间有限元模型，并对该有限元模型进行稳定性分析，得出其成桥运营阶段各种工况下的稳定安全系数。在此基础上，还对该拱桥的横撑形式及刚度，矢跨比，含钢率，拱肋内倾角等因素对拱桥稳定性系数的影响展开讨论与研究。并分别对几何非线性和材料非线性问题进行了研究。其次本文还应用遗传算法对确定合理拱轴线进行了初步探讨，以便在实际工程应用过程中能够对桥梁设计人员给予帮助。论文在国内外研究成果的基础上，针对大跨度拱桥稳定性，依托实际工程，通过有限元分析，得出的结论能给相近似的同类桥型设计与施工提供理论指导。
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