提籃拱橋拱肋及橫撐對其穩(wěn)定性的影響

常建忠

提籃拱橋是近年來在提籃拱橋基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型的拱橋結(jié)構(gòu)形式，但是穩(wěn)定問題始終是拱橋設(shè)計(jì)、施工中的一個重要問題，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)往往導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體垮塌，且發(fā)生較為突然，危害極大，拱橋因失穩(wěn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的情況時(shí)有發(fā)生[1]。影響鋼管混凝土拱橋穩(wěn)定性的因素有吊桿、系桿、拱肋以及拱肋間的橫撐，本文采用MIDAS/Civil建立有限元模型，分析拱肋和拱肋間橫撐對某提籃拱橋穩(wěn)定性的影響。

1 工程背景

該橋位于廣珠貨運(yùn)客運(yùn)專線上，跨徑為112m(見圖1)，梁全長116m，計(jì)算跨長為112m，拱肋平面內(nèi)矢高22.4m，拱肋采用懸鏈線。拱肋截面采用啞鈴形鋼管混凝土截面，鋼管內(nèi)采用C55無收縮混凝土填充，截面高度h=3.0m，沿程等高布置，鋼管直徑為1 200mm，由厚18mm的鋼板卷制而成，每根拱肋的兩鋼管之間用腹板連接。每隔一段距離，在圓形鋼管內(nèi)設(shè)加勁環(huán)、在兩腹板中焊接拉筋。拱肋在橫橋向內(nèi)傾 9°，形成提籃式，拱頂處兩拱肋中心距6.99m，拱腳處兩肋中心距14.00m。

系梁采用 C50混凝土，按整體箱形梁布置，采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面，橋面寬15.6m，梁高2.5 m。拱腳順橋向8.0m范圍內(nèi)設(shè)成實(shí)體段，橫橋向?qū)挾扔?5.6m增至 16.6m，截面漸變處設(shè)倒角或過渡段。吊桿布置采用尼爾森體系，在吊桿平面內(nèi)，橫橋向水平夾角為 81°，吊桿順橋向間距為 8m。兩拱肋之間共設(shè)5道橫撐，拱頂處設(shè)X型撐，拱頂至兩拱腳間設(shè)4道K型橫撐[2]。

2 有限元模型的建立

本文采用橋梁通用有限元軟件MIDAS/Civil來模擬，全橋分為 666個節(jié)點(diǎn)，779個單元，采用梁單元來模擬橋梁結(jié)構(gòu)，主橋由系梁、拱肋、吊桿、橋面系組成，主梁兩端采用鉸接，其中右端 x方向不約束，橋面系采用均布荷載分布在橋面上。全橋有限元模型見圖2。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 對橫撐變化的計(jì)算結(jié)果的分析

在自重加二期荷載作用下，分析計(jì)算結(jié)果見表 1。

表1 模型概況及穩(wěn)定系數(shù)

由表 1可知，減少 K撐將使結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低，穩(wěn)定系數(shù)大大降低，K撐的位置不同，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也不同，靠近拱頂?shù)腒撐比拱腳的K撐的穩(wěn)定性要大，將K撐全部改為一字撐后，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也會大大的降低。

3.2 拱的變化對自振基頻的影響

拱的剛度對整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有影響，為了研究拱的剛度的變化對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，本文從改變鋼管拱的直徑和鋼管的壁厚兩個方面來模擬。具體計(jì)算結(jié)果見表 2，表 3。

表2 直徑不同的鋼管基頻對比(鋼壁厚18mm)

從表2可以看出，在鋼壁厚18 mm的情況下，隨著鋼管直徑的增加，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)增大，穩(wěn)定性增強(qiáng)，因此可在適當(dāng)?shù)臈l件下增加鋼管的直徑來增加拱橋的穩(wěn)定性。

表3 鋼壁厚不同的鋼管基頻對比(鋼管直徑1.2m)

從表3可以看出，在鋼管直徑為1.2m的情況下，隨著鋼管壁厚增加，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)將增大，但沒有增加鋼管直徑那樣明顯[3-5]。

4 結(jié)語

本文以 112m提籃拱橋?yàn)槔?，?jì)算分析了提籃拱橋的穩(wěn)定性能，得出了各種情況下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)，減少拱肋的橫撐，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)將減小，其中采用K撐的拱肋的穩(wěn)定性比采用一字形橫撐的穩(wěn)定性要好;在保持鋼管壁厚為18mm不變的情況下，隨著鋼管的直徑增加，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性增加;在保持鋼管直徑為1.2m的情況下，隨著鋼管壁厚的增加，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性增加。

[1] 劉夏平.橋梁工程[M].北京:科學(xué)出版社，2005.

[2] 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.跨某高速公路大橋 112m拱橋設(shè)計(jì)資料[Z].2009.

[3] 劉晶波，杜修力.結(jié)構(gòu)動力學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[4] 楊海平，趙燦輝，陳艤亦.肋間橫撐對鋼管混凝土拱橋穩(wěn)定性的影響[J].公路交通技術(shù)，2005(2):25-30.

[5] 郭玉平.客運(yùn)專線 112m提籃拱橋施工過程仿真分析計(jì)算[D].長沙:中南大學(xué)碩士論文，2009:41-42.