公路鋼桁橋穩(wěn)定性影響因素分析

吳 堅(jiān)（浙江省義烏市公路管理段，浙江 義烏322000）

1 前言

鋼桁橋由于采用高強(qiáng)度的材料而且易于加工，因此構(gòu)件重量輕，運(yùn)輸、架設(shè)方便，是大跨徑橋梁的理想材料，目前各類體系橋梁中，其最大跨徑的橋梁皆為鋼橋。在要求工期短，施工干擾小的橋梁中，鋼橋也是很好的選擇。鋼橋的主要優(yōu)點(diǎn)是：可以實(shí)現(xiàn)完全工業(yè)化的制造和拼裝;上、下部結(jié)構(gòu)可以同時(shí)施工，能夠加快施工進(jìn)度;由于鋼材具有勻質(zhì)性、構(gòu)件輕的特點(diǎn)，用懸臂法施工比較方便;可以較方便的跨越大跨，節(jié)省施工時(shí)間和費(fèi)用。鋼桁橋除了具有鋼橋s 的優(yōu)點(diǎn)之外還有其自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：可以上、下雙層通車，能夠滿足公、鐵兩用及大交通量的需求;構(gòu)件預(yù)制拼裝速度快，經(jīng)濟(jì)效益顯著等。

橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是關(guān)系其安全與經(jīng)濟(jì)的主要問題之一，它與強(qiáng)度問題具有同等重要的意義。由于大跨度橋梁日益廣泛地采用高強(qiáng)材料和薄壁結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定問題顯得更為重要。

橋梁結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)現(xiàn)象可以分為以下幾類：

(1)個(gè)別構(gòu)件的失穩(wěn)，例如壓桿的失穩(wěn)和梁的側(cè)傾;

(2)部分結(jié)構(gòu)或整個(gè)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn);

(3)構(gòu)件的局部失穩(wěn)，而局部失穩(wěn)常常會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的失穩(wěn)。

嚴(yán)格來說，任何理想彈性構(gòu)件或結(jié)構(gòu)體系存在受壓區(qū)時(shí)都存在失穩(wěn)的可能性。但是，鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題表現(xiàn)得遠(yuǎn)比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)突出，這有兩個(gè)原因：

首先，依據(jù)強(qiáng)度來設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，在相同邊界條件和荷載作用下，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸要小于鋼筋混凝土構(gòu)件的截面尺寸，抵抗失穩(wěn)的能力要小于混凝土結(jié)構(gòu)。

其次，由于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要由板材構(gòu)成，寬而薄的板材是很容易發(fā)生局部失穩(wěn)的，而鋼筋混凝土構(gòu)件則主要是實(shí)心截面，不存在局部穩(wěn)定問題。

世界上曾經(jīng)有過不少橋梁因失穩(wěn)而喪失承載能力的事故，我國的浙江寧波招寶山斜拉橋在1998 年9 月，也發(fā)生過施工時(shí)主梁斷裂的事故，其中一個(gè)主要原因就是箱梁的底板過薄，在施工荷載作用下主梁被壓潰。由此可見，分析橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對(duì)于整個(gè)橋梁的建設(shè)具有重大的意義。

2 鋼桁橋的主要架設(shè)方法

在實(shí)際的鋼析梁架設(shè)過程中，僅僅采用一種簡單的施工方法是很少見的，大多數(shù)鋼桁橋梁的架設(shè)至少同時(shí)采用2 種或2 種以上的施工方法。并且在施工工藝上進(jìn)行了更符合實(shí)際情況的創(chuàng)新與改進(jìn)，進(jìn)而使得社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益顯著。

目前鋼桁橋主要的架設(shè)方法主要有懸臂施工法、半浮半拖施工法、浮運(yùn)膺架法等，下面詳細(xì)介紹這三種施工方法在鋼桁橋中的應(yīng)用。

2.1 懸臂施工法

近幾十年來，國內(nèi)外許多特大橋都采用了懸臂施工法進(jìn)行建設(shè)。隨著鋼橋結(jié)構(gòu)的發(fā)展，懸臂拼裝工藝也正在逐步完善。為了減少析架內(nèi)力和伸臂端撓度，一般在伸臂前方橋墩處伸出支撐托架或者臨時(shí)支撐，當(dāng)伸臂接近前方橋墩時(shí)，提前得到支撐。懸臂施工法在鋼梁橋的架設(shè)過程中工藝逐步完善，是一種很有效的施工方法，在大跨多跨橋梁的架設(shè)中經(jīng)常應(yīng)用。

2.2 半浮半拖施工法

半浮半拖的架設(shè)方法是取浮運(yùn)施工法和縱向拖拉施工法2 種施工方法的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)工程實(shí)際情況，經(jīng)過變通的行之有效的施工方法。半浮半拖施工法是在浮船上建立臨時(shí)支墩，用卷揚(yáng)機(jī)和導(dǎo)鏈牽引拖拉架梁，主要適合水深速緩、通航情況一般的情形，并且可以避免鋼梁懸臂太長。與拖拉架設(shè)法相比，浮拖架設(shè)法增加了1 個(gè)浮墩，容易控制撓度和應(yīng)力的變化，并且能夠保證鋼梁的穩(wěn)定性，浮拖所用的器材易拼裝、易控制、占用河道面積小、時(shí)間短、操作起來安全便捷。

2.3 浮運(yùn)膺架法

浮運(yùn)鷹架法是指在浮船上拼組膺架梁，拼組完成后，利用潮水高漲期，使用浮船將膺架梁浮運(yùn)至待架鋼梁位置，待落潮時(shí)將膺架梁落于支墩上，最后將浮船拖出。膺架梁架設(shè)就位后，在其上架設(shè)鋼梁和施工平臺(tái)，并進(jìn)行鋼析梁的拼裝。鋼梁拼裝完畢，用油壓千斤頂在鋼梁端部將鋼梁均勻水平頂起，然后拆除膺架上節(jié)點(diǎn)處支墩。在低潮時(shí)將浮船拖至膺架下面，利用漲潮將其整體托起，再拖出移至下一孔鋼析梁處進(jìn)行拼裝架設(shè)。采用整體浮運(yùn)膺架法架設(shè)多孔鋼析梁，膺架采用制式器材，一次拼裝就位，多次浮運(yùn)架設(shè)，避免多次拆裝。新長鐵路長江輪渡北岸棧橋5 孔48m下承式栓焊鋼析梁即采用浮運(yùn)膺架法架設(shè)。浮運(yùn)膺架法架設(shè)鋼析梁，具有安全、方便、快速等特點(diǎn)，為在大江大河架設(shè)此類橋梁提供了一種新方法。

3 公路鋼桁橋穩(wěn)定性影響因素分析

3.1 橫向風(fēng)荷載對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的影響

根據(jù)橋梁所在地環(huán)境，參照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算下弦桿、上弦桿和加勁弦承受的橫向風(fēng)力荷載如下：下弦桿：FH=8.04kN/m， 上 弦 桿：FH=13.74kN/m， 立 柱 和 加 勁 弦：FH=6.44kN/m，考慮橫向風(fēng)荷載和彎扭藕合作用，計(jì)算大橋各個(gè)施工階段的穩(wěn)定系數(shù)如表1 示：

由表1 可以看出，橫向風(fēng)荷載對(duì)體系轉(zhuǎn)換、橫縱向內(nèi)力調(diào)整穩(wěn)定安全系數(shù)影響較大，對(duì)于吊裝橋面板和成橋工況的穩(wěn)定系數(shù)影響較小。

表1 穩(wěn)定系數(shù)表

表2 穩(wěn)定系數(shù)表

表3 穩(wěn)定系數(shù)表

表4 穩(wěn)定系數(shù)表

表5 穩(wěn)定系數(shù)表

表6 穩(wěn)定系數(shù)表

表7 穩(wěn)定系數(shù)表

3.2 橋面系剛度對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的影響

3.2.1 橫梁剛度對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的影響

對(duì)于三析或三析以上的大跨雙層寬橋面系橋梁結(jié)構(gòu)，橋梁縱向剛度較大，橫向剛度較弱，橫梁剛度的大小將會(huì)影響橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，本節(jié)考 慮 橫 梁 剛 度 折 減5%、10%、15%、20% 和 剛度 增 加5%、10%、巧%、20% 六 種 不 同 情 況，研究橫梁剛度對(duì)最大懸臂工況和成橋工況結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)的影響。本次計(jì)算考慮軸向力的影響計(jì)算的大橋穩(wěn)定系數(shù)如表2 所示。

可以看出，穩(wěn)定系數(shù)隨著橫梁剛度的變化而不斷變化，在最大懸臂工況下，穩(wěn)定系數(shù)線形變化。而對(duì)于成橋工況，橫梁剛度對(duì)其穩(wěn)定系數(shù)影響較小。考慮彎扭禍合作用，橫梁剛度變化對(duì)大橋穩(wěn)定性的影響如表3 所示。

由表3 可以看出考慮彎扭禍合作用之后，橫梁剛度提高20%對(duì)最大懸臂工況穩(wěn)定安全系數(shù)影響不夠顯著，對(duì)成橋工況影響也較小。

3.2.2 平聯(lián)剛度對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的影響

隨著懸臂施工的進(jìn)行，主析橫梁所受的軸向力變大，橫梁穩(wěn)定問題變的十分突出，在施工過程中縱梁不參與受力，橫梁僅靠平聯(lián)作為側(cè)向支撐。本節(jié)研究平聯(lián)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)的影響，分別考慮平聯(lián)剛度折減5%、10%、15%、20%、 剛 度 增 加5%、10%、15%、20%。 本 次計(jì)算僅考慮軸向力影響的平聯(lián)剛度變化，穩(wěn)定系數(shù)的變化如表4 所示。

可以看出，在施工工程中隨著平聯(lián)剛度的增大，穩(wěn)定系數(shù)是成線形減小的，而平聯(lián)剛度對(duì)成橋階段穩(wěn)定系數(shù)影響較小。

考慮彎扭藕合作用，計(jì)算最大懸臂工況和成橋工況大橋穩(wěn)定系數(shù)的變化如表5 所示。

3.2.3 橋面板剛度對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的影響

大橋成橋之后橋面板與縱橫梁固結(jié)，橋面板提供了很大剛度，本節(jié)將橋面板剛度進(jìn)行分別折 減5%、10%、15%、20%、 剛 度 增 加5%、10%、15%、20%，研究橋面板剛度對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的影響。通過施工階段穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算可以看出僅考慮軸向力和考慮彎扭禍合對(duì)成橋階段穩(wěn)定系數(shù)沒有影響，因此本次計(jì)算僅考慮軸向力影響。橋面板剛度變化后穩(wěn)定系數(shù)的變化如表6 所示。

3.3 縱橫梁連接方式對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的影響

3.3.1 縱梁是否參與受力對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的影響

按照傳統(tǒng)的鋼析架梁橋施工方法，隨著主析架懸臂架設(shè)，縱梁、平縱聯(lián)與平行弦、橫梁同步連接并上足高強(qiáng)度螺栓。對(duì)于東江大橋而言此種方法并不適用，東江大橋采用邊跨支架中跨懸拼的方式，如果采用此種施工方法，隨著懸臂施工的進(jìn)展，主析架自重增加，下?lián)献冃沃饾u增大，由于縱梁的存在，橫梁會(huì)產(chǎn)生水平彎曲，彎曲變形又使得縱受到軸力而參與主析架的共同受力變形。為了減小施工過程中縱梁與主析的共同受力，安裝時(shí)縱梁與橫梁連接的螺栓不施擰，待橋面板吊裝完成后再進(jìn)行終擰。在懸臂施工階段為了防止縱梁對(duì)橫梁產(chǎn)生面外彎矩，縱梁與橫梁的連接采用了長圓孔，縱梁對(duì)橫梁不產(chǎn)生軸向力，以達(dá)到縱梁不參與主析受力分配的目的。本小節(jié)對(duì)縱梁是否參與受力對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算，縱梁參與受力時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)如表7所示。

可以看出縱梁參與受力之后結(jié)構(gòu)施工過程中的穩(wěn)定安全系數(shù)大大提高，反過來講，縱梁不參與受力雖然使得橫梁所受彎曲應(yīng)力減小，但對(duì)施工過程中橫梁的穩(wěn)定卻是不利的。

3.3.2 橫梁與主析連接方式對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的影響

本小節(jié)考慮橫梁與主析連接方式對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的影響，采用橫梁與主析鉸接有限元模型，計(jì)算施工過程中大橋的穩(wěn)定安全系數(shù)如表8 所示，此次計(jì)算考慮彎扭禍合作用。

表8 穩(wěn)定系數(shù)表

4 結(jié) 語

(l)計(jì)算了考慮橫向風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)并與不考慮橫向風(fēng)荷載情況進(jìn)行了對(duì)比，分析了各施工階段的穩(wěn)定系數(shù)與失穩(wěn)模態(tài)的變化情況。發(fā)現(xiàn)橫向風(fēng)荷載對(duì)穩(wěn)定安全系數(shù)的影響主要體現(xiàn)在最大懸臂、體系轉(zhuǎn)換、縱向內(nèi)力調(diào)整等施工工況，在施工過程中，這幾個(gè)工況下的穩(wěn)定系數(shù)都變小，在中跨頂升、吊裝橋面板以及成橋工況下，橋梁整體剛度增強(qiáng)較大，風(fēng)荷載的影響比較小。

(2)計(jì)算并分析了橫梁剛度對(duì)最大懸臂工況和成橋工況穩(wěn)定安全系數(shù)的影響，結(jié)果表明橫梁剛度變化對(duì)僅考慮軸向力影響情況下穩(wěn)定安全系數(shù)影響顯著，呈現(xiàn)線形變化。對(duì)考慮彎扭藕合作用，雖然總體變化趨勢也成線形變化，但沒有前者明顯。橫梁剛度對(duì)成橋工況下穩(wěn)定安全系數(shù)影響較小。

(3)計(jì)算并分析了平聯(lián)剛度變化對(duì)最大懸臂工況和成橋工況穩(wěn)定安全系數(shù)的影響，結(jié)果表明隨著平聯(lián)剛度的增大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)反而降低。計(jì)算分析了橋面板剛度對(duì)成橋工況下穩(wěn)定系數(shù)的影響，結(jié)果表明橋面板穩(wěn)定安全系數(shù)隨著橋面板剛度的變化線形變化。

(4)計(jì)算分析了縱梁是否參與受力對(duì)各個(gè)施工工況穩(wěn)定安全系數(shù)的影響，結(jié)果表明縱梁參與受力對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)影響顯著，穩(wěn)定安全系數(shù)提高明顯。

(5)計(jì)算分析了橫梁與主析連接剛度對(duì)各個(gè)施工工況穩(wěn)定安全系數(shù)的影響，結(jié)果表明橫梁與主析剛接模型較橫梁與主析鉸接模型穩(wěn)定安全系數(shù)更高。

本文對(duì)公路鋼桁橋施工過程進(jìn)行了穩(wěn)定性研究，主要研究了橫向風(fēng)荷載、橫梁剛度、平聯(lián)剛度、橋面板剛度、縱橫梁連接方式、橫梁與主析連接方式等對(duì)鋼桁橋穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的因素，得出了一些結(jié)論，這些結(jié)論對(duì)于日后鋼桁橋的施工工程具有借鑒價(jià)值。

目前對(duì)公路鋼桁橋施工過程穩(wěn)定性的研究還比較少，對(duì)鋼桁橋施工穩(wěn)定性的研究絕大部分基于空間梁單元模型，而梁單元有限元模型對(duì)鋼桁橋連接節(jié)點(diǎn)剛度的模擬不夠準(zhǔn)確，因此基于實(shí)體有限元模型的分析方法應(yīng)該繼續(xù)探索。

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[2]陳驥.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與設(shè)計(jì)(第三版)[M].北京：科學(xué)出版社，2003

[3]萬明坤.關(guān)于鋼析梁縱聯(lián)與橫聯(lián)計(jì)算中的一些問題[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì).1979-7