梁拱組合橋梁穩(wěn)定性對于重要設(shè)計參數(shù)的敏感性研究

鹿立好

(安徽省亳州市恒達公路工程勘察設(shè)計院，安徽 亳州 236800)

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梁拱組合橋梁穩(wěn)定性對于重要設(shè)計參數(shù)的敏感性研究

鹿立好

(安徽省亳州市恒達公路工程勘察設(shè)計院，安徽 亳州 236800)

針對矢跨比和拱梁剛度比這兩個重要設(shè)計參數(shù)，研究矢跨比和拱梁剛度比對于梁拱組合體系橋梁穩(wěn)定性的重要影響，以期為此類橋梁的設(shè)計提供參考。

梁拱組合橋；穩(wěn)定性；矢跨比；拱梁剛度比；敏感度分析

0 引 言

梁拱組合體系橋梁由主梁和拱肋相互協(xié)作，共同受力，結(jié)合了拱和梁的特點。梁拱組合體系橋梁的矢跨比、梁拱剛度比以及吊桿剛度等重要設(shè)計參數(shù)對于結(jié)構(gòu)的靜力和動力性能影響顯著[1-6]。隨著橋梁建設(shè)水平的不斷提高和輕質(zhì)高強材料的使用，梁拱組合體系橋梁跨徑不斷增大，結(jié)構(gòu)越來越輕巧、柔和、纖細，使其穩(wěn)定問題日益突出[7-10]。拱的穩(wěn)定問題從失穩(wěn)空間形態(tài)上可分為面內(nèi)失穩(wěn)和面外失穩(wěn)；從失穩(wěn)性質(zhì)上又可分為第一類穩(wěn)定(分支點失穩(wěn)問題)和第二類穩(wěn)定(極值點失穩(wěn)問題)。因此，本文將主要針對矢跨比和拱梁剛度比這兩個重要設(shè)計參數(shù)，研究矢跨比和拱梁剛度比對于梁拱組合體系橋梁穩(wěn)定性的重要影響，為此類橋梁的設(shè)計提供參考。

1 橋梁實例

本文選擇安徽省廣德縣境內(nèi)的廣寧路橋作為算例工程(以下簡稱算例橋梁)，該橋上部結(jié)構(gòu)采用(30 m+80 m+30 m)的梁拱組合體系，主跨采用剛性系桿剛性拱，計算跨徑L=80 m，拱軸線為二次拋物線，矢跨比為1/4，矢高為20.0 m，拱肋采用等截面矩形截面，每片拱片設(shè)間距為4.0 m的吊桿17根。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用實體式墩身下設(shè)承臺接8根樁基礎(chǔ)，橋臺采用蓋梁接2根樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)直徑均為2.2 m，按摩擦樁設(shè)計。廣寧路橋立面布置圖具體見圖1所示。

本文采用通用有限元分析軟件MIDAS/Civil建立了廣寧路橋梁拱組合體系結(jié)構(gòu)的有限元模型，并進行全橋的靜力穩(wěn)定性分析，有限元模型見圖2所示。

圖2 廣寧路橋動力分析有限元模型

2 拱梁剛度比對算例橋梁穩(wěn)定性的影響

對梁拱組合橋而言，拱肋是主要受力構(gòu)件之一。在主拱結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)變形過程中，拱肋承擔(dān)了大部分的變形勢能。因此，通過對拱梁剛度比的參數(shù)分析，可以了解梁拱組合橋梁拱剛度比的變化對其成橋階段穩(wěn)定性的影響。

成橋階段穩(wěn)定分析考慮了自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力荷載以及吊桿張力，討論了不同拱梁剛度比在成橋階段對穩(wěn)定性能的影響，計算結(jié)果見表1和表2所列。

分析表1和表2可知，算例橋梁在成橋階段的前三階失穩(wěn)模態(tài)基本均為主拱的側(cè)傾失穩(wěn)，這主要是由于拱肋相對于主梁的橫向剛度較小，抗側(cè)傾比較薄弱，當(dāng)荷載達到臨界荷載時，首先發(fā)生側(cè)傾失穩(wěn)。需要指出的是，當(dāng)梁拱剛度比達到4.94時，梁拱組合橋的第三階失穩(wěn)模態(tài)出現(xiàn)橋面板的局部失穩(wěn)，由此可見，拱梁剛度比的增加，有可能使局部失穩(wěn)形式提前。

表1 不同拱梁剛度比的臨界荷載系數(shù)及失穩(wěn)形態(tài)

表2 不同拱梁剛度比的臨界荷載系數(shù)及失穩(wěn)形態(tài)

分析圖3可知結(jié)構(gòu)臨界屈曲荷載系數(shù)隨不同拱梁剛度比的變化規(guī)律。隨著拱梁剛度比的增加，結(jié)構(gòu)臨界屈曲荷載系數(shù)(即穩(wěn)定系數(shù))先減后增，即當(dāng)拱梁剛度比為0.31時，結(jié)構(gòu)臨界屈曲荷載系數(shù)為23.18，而當(dāng)拱梁剛度比為1.23時，結(jié)構(gòu)臨界屈曲荷載系數(shù)為16.47，結(jié)構(gòu)屈曲荷載系數(shù)減小幅度達40.7%；當(dāng)拱梁剛度比為4.94，結(jié)構(gòu)臨界屈曲荷載系數(shù)增長較快，后者達前者的2倍之多。由此可見，拱梁剛度比的增加對提高結(jié)構(gòu)安全系數(shù)有著重要影響。

圖3 拱梁剛度比對結(jié)構(gòu)臨界屈曲荷載系數(shù)的影響

3 矢跨比對算例橋梁穩(wěn)定性的影響

矢跨比是決定拱橋線型的重要參數(shù)之一，當(dāng)拱圈跨徑和截面一定時，若矢跨比很小，則拱弧長度較短，拱肋的材料用量較小，但均布荷載產(chǎn)生的壓力較大；反之，若矢跨比很大，雖壓力較小，但拱弧較長，拱肋的材料用量較大。根據(jù)拱橋的穩(wěn)定理論，拱的失穩(wěn)情況與矢跨比密切相關(guān)。下承式拱橋矢跨比多在1/4～1/7之間，因此，本文以算例橋梁為基礎(chǔ)，保持拱肋截面形式和拱軸線線型方程表達式不變，分別針對矢跨比為1/4、1/5、1/6、1/7，分析不同矢跨比模型的結(jié)構(gòu)臨界屈曲荷載系數(shù)，計算結(jié)果見表3和表4所列。

分析表3和表4、圖4可知，隨著矢跨比的增加，結(jié)構(gòu)臨界屈曲荷載系數(shù)不斷增大，當(dāng)矢跨比為1/7時，結(jié)構(gòu)臨界屈曲荷載系數(shù)為12.88；而當(dāng)矢跨比為1/4時，其結(jié)構(gòu)臨界屈曲荷載系數(shù)為16.47，增幅達27.8%，且隨矢跨比的增加，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模態(tài)的方向都朝拱肋的面外失穩(wěn)，即主拱的面內(nèi)剛度大于面外剛度。由此可知，通過改變矢跨比，可以增強結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

表3 不同矢跨比的臨界荷載系數(shù)及失穩(wěn)形態(tài)

表4 不同矢跨比的臨界荷載系數(shù)及失穩(wěn)形態(tài)

分析圖4可知結(jié)構(gòu)臨界屈曲荷載系數(shù)隨不同矢跨比的變化規(guī)律。隨著矢跨比的增加，結(jié)構(gòu)臨界屈曲荷載系數(shù)不斷提高，這是由于在平衡方程中考慮了軸力對平衡方程的影響。同時，矢跨比和結(jié)構(gòu)臨界屈曲荷載系數(shù)有呈線性增長的趨勢。

圖4 矢跨比對結(jié)構(gòu)臨界屈曲荷載系數(shù)的影響

4 結(jié) 論

(1) 隨著拱梁剛度比的增加，結(jié)構(gòu)臨界屈曲荷載系數(shù)(即穩(wěn)定系數(shù))先減后增；拱梁剛度比的增加對提高結(jié)構(gòu)安全系數(shù)具有重要影響。

(2) 隨著矢跨比的增加，結(jié)構(gòu)臨界屈曲荷載系數(shù)不斷提高，且矢跨比和結(jié)構(gòu)臨界屈曲荷載系數(shù)有呈線性增長的趨勢。

[1] 于淑蘭．梁拱組合橋梁結(jié)構(gòu)體系性能分析[D].大連：大連理工大學(xué)，2003.

[2] 王洪超．連續(xù)梁拱組合體系橋梁設(shè)計參數(shù)分析[J].巖土工程界，2006，9(4): 27～29.

[3] 滕麗平．梁拱組合體系橋受力性能研究 [D].長沙：中南林業(yè)科技大學(xué),2012.

[4] 易云焜．梁拱組合體系設(shè)計理論關(guān)鍵問題研究[D].上海：同濟大學(xué), 2007.

[5] 司秀勇,潘慧敏,蔣再松,等. 梁拱組合體系橋自振特性分析及參數(shù)研究[J].鐵道建筑,2008(1):28～30.

[6] 徐曉東，汪 ?。傲航M合體系橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點[J].交通標準化，2009(21): 27～30.

[7] 李 映．拱梁組合體系橋梁的拱梁相對剛度分析[J].橋梁建設(shè)，2008(1):50～53.

[8] 朱衛(wèi)國，張 松，項貽強．三跨連續(xù)梁拱組合體系橋梁穩(wěn)定性分析[J].中國市政工程，2004，109(3):32～34.

[9] 吳祥海．設(shè)計參數(shù)對梁拱組合橋穩(wěn)定性影響研究[J].城市道橋與防洪，2010(9):286～288.

[10] 代 科．梁拱組合體系橋梁的穩(wěn)定性研究[J].交通世界：建養(yǎng)機械，2011(5):201～203

2016-04-27

鹿立好(1963-)，男，安徽肥西人，安徽省亳州市恒達公路工程勘察設(shè)計院高級工程師．

U448.216

A

1673-5781(2016)03-0322-03