連續(xù)梁拱組合體系橋梁穩(wěn)定性分析

郭子亨

摘 要：隨著我國在道路建設(shè)方面也取得了較大的成就。連續(xù)梁拱組合體系橋梁方向的發(fā)展也取得了較大的突破。梁拱組合體系的橋梁具有著受力復(fù)雜，穩(wěn)定性分析困難的特點(diǎn)。因此，對連續(xù)梁拱組合體系橋梁進(jìn)行穩(wěn)定性分析是一項(xiàng)重要的工作內(nèi)容。本文充分采用空間有限元程序?qū)袄叩臋M向彈性穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。同時也了解了拱肋，風(fēng)撐以及吊桿等因素對整個橋梁穩(wěn)定性的影響程度。所得數(shù)據(jù)和分析結(jié)果可為連續(xù)梁拱組合體系橋梁的建設(shè)提供一定的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：連續(xù)梁拱組合體系橋梁;穩(wěn)定性分析

橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)，根據(jù)表現(xiàn)形式的不同可以分為兩類，分別是橋梁整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失去穩(wěn)定性的現(xiàn)象以及部分結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失去穩(wěn)定性的現(xiàn)象。橋梁部分結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性的主要表現(xiàn)就是局部分解結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降和部分其他構(gòu)件穩(wěn)定性下降。局部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性下降將直接影響橋梁的可靠性。目前大多數(shù)施工方案和施工要求，都會要求橋梁在各方向都要保持平穩(wěn)，就是橋梁在各種作用力的影響下，都要表現(xiàn)出穩(wěn)定的狀態(tài)，穩(wěn)定性分析工作的開展必不可少。

1 連續(xù)梁拱組合體系主要構(gòu)成和特性

吊桿，橫梁，橋面系，拱肋以及系梁等是目前連續(xù)梁拱組合體系的主要組成部件。各個局部組件相互依附，相互支撐，共同承壓。是一種具備結(jié)構(gòu)的合理性，外觀的美觀性以及體系的新穎性的橋梁體系。主要進(jìn)行負(fù)載承擔(dān)的組件是橋梁拱肋，負(fù)責(zé)預(yù)應(yīng)力束負(fù)載拱端推力的組件是橋梁系梁。而釣竿以及橋面結(jié)構(gòu)則負(fù)責(zé)橋面的承壓。其中橋梁拱肋是最重要的承壓構(gòu)件，橋梁拱肋的穩(wěn)定性是決定整個連續(xù)梁拱組合體系橋梁的重要因素。近年來，各種各樣的新材料新技術(shù)在橋梁建設(shè)行業(yè)得以廣泛應(yīng)用，大大增加了拱肋的長細(xì)比。部分地區(qū)為了減少行車時的壓抑感，在橋梁設(shè)計方面特意采用了無風(fēng)撐或者是減少風(fēng)撐的設(shè)計，這就要求拱肋必須具有更改的穩(wěn)定性和可靠性。

2 連續(xù)梁拱組合體系橋梁的受力特點(diǎn)

連續(xù)梁拱組合體系橋梁是由承重構(gòu)件，活載分布構(gòu)件以及力學(xué)傳遞構(gòu)件三大構(gòu)件構(gòu)成，是較為經(jīng)典的三元結(jié)構(gòu)。橋梁整體結(jié)構(gòu)具有著穩(wěn)定性高，使用年限長的優(yōu)良特點(diǎn)。在這三大構(gòu)件之中，橋梁拱肋和系梁是承重構(gòu)件的主要組件;橋梁系梁，橫梁以及橋面是活載分布構(gòu)件的主要組件;吊桿與立柱則是力學(xué)傳遞構(gòu)件的主要組件。其中，系梁不僅僅是活載分布構(gòu)件的主要組件，同時也是稱重構(gòu)件的重要組成部分。在受力上，該組件所受到的力量是多重的。以上便是連續(xù)梁拱組合體系橋梁的主要承載體系。

建成后的連續(xù)梁拱組合體系橋梁的外部支撐與連續(xù)梁具有較高的相似度，其支座處產(chǎn)生的作用力只有豎向反力，從這一點(diǎn)我們可以清楚的判斷出連續(xù)梁的受力特點(diǎn)。因此，連續(xù)梁拱組合體系橋梁的受力特點(diǎn)如下。從橋梁內(nèi)部的構(gòu)造進(jìn)行分析，拱和梁之間荷載的壓力會轉(zhuǎn)化成平衡它們彼此之間的相互作用力。從橋梁的外部進(jìn)行分析與前者相仿，可憑借構(gòu)造的特點(diǎn)將荷載力轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式的作用效應(yīng)。因此，拱的推力以及梁的軸向拉力彼此之間相互作用，拱與梁截面的總彎矩可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣笆軌?，梁受拉的受力表現(xiàn)。最大程度上提高橋梁的穩(wěn)定性。

下承式連續(xù)梁拱組合體系橋梁的拱加強(qiáng)了橋梁的中跨，這令內(nèi)力可以進(jìn)行重新分布，將荷載的壓力自拱傳達(dá)至固定的支點(diǎn)，中跨與邊跨內(nèi)力的彼此間造成的影響大大削弱，最大程度上降低了邊跨出現(xiàn)負(fù)反力。

中承式連續(xù)梁拱組合體系橋梁與連續(xù)梁的受力特點(diǎn)適應(yīng)度較高，其彎矩相對較大的跨中和中支點(diǎn)位置的拱梁相對距離增大。整個橋梁結(jié)構(gòu)可以達(dá)到拱受壓，梁受拉的最佳受力狀態(tài)。

上承式連續(xù)梁拱組合體系橋梁強(qiáng)化了中支點(diǎn)段，有效的吸引了內(nèi)力。拱的壓力以及梁的拉力抵消了負(fù)彎矩，壓力的豎向分力也提供了較高的抗剪力。

3 拱橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的主要方法和計算結(jié)果

有限元，線性屈曲以及非線性穩(wěn)定性計算是目前橋梁建設(shè)行業(yè)使用較為廣泛的穩(wěn)定性計算方法。通過分析空間梁單元的應(yīng)變能力，并結(jié)合利用極值條件，可以推算出空間梁單元的剛度。

下承式梁拱組合式橋梁，采用66.5m+142m+66.5m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)槽型梁與中跨鋼管混凝土加勁拱組合結(jié)構(gòu)，共軸線采用二次拋物線，中跨跨度142m，矢高28.4m，矢跨比1/5;鋼管外徑1.0m，拱肋全高3.0m，拱腳處的寬度加長到1.0m，腹腔的實(shí)際寬度約為0.6m，對上下鋼管及腹腔進(jìn)行補(bǔ)償收縮混凝土的灌注，吊桿縱向間距6.0m，兩榀拱肋中心距約為13.5m，中跨的吊桿數(shù)量確認(rèn)為19對，根據(jù)計算，整座橋梁共設(shè)置四道K形風(fēng)撐，三道一字形風(fēng)撐，梁體采用變高度槽型箱梁截面，，槽形截面內(nèi)側(cè)凈寬11.0m，邊箱頂寬3.4m，全截面頂寬17.8m，底寬16.0m。

橋梁穩(wěn)定性的計算采用空間結(jié)構(gòu)模型，對橋梁拱肋的彈性穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行分析和計算。拱肋，縱梁，風(fēng)撐以及橫梁都是空間梁單元，不加入橋面板剛度的計算。吊竿則視為沒有抗彎剛度的簡單拉伸構(gòu)件。

4 結(jié)果分析

根據(jù)計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，橋梁拱肋的側(cè)向剛度比豎向剛度要低，這種情況下橋梁整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降的主要類型就是面外失穩(wěn)。其主要表現(xiàn)為橋梁拱肋的跨中位置發(fā)生側(cè)面不平鼓出的現(xiàn)象。

橫梁，橫向連接系，系梁以及拱肋等主要部件的穩(wěn)定性和剛度是影響橋梁整體穩(wěn)定性的主要因素。

橋梁側(cè)向剛度的改變和風(fēng)撐的設(shè)置形式會影響到整個橋梁的穩(wěn)定性和可靠性。其中X形風(fēng)撐與K形風(fēng)撐對橋梁的穩(wěn)定性具有較大的保障作用，同時提高側(cè)向剛度也可以有效增加橋梁的穩(wěn)定性。

橋梁的橋面相較于拱肋可被認(rèn)作為完全剛性。如果拱肋出現(xiàn)了側(cè)向移動的現(xiàn)象時，則極容易導(dǎo)致橋梁吊桿出現(xiàn)傾斜。如果將吊竿設(shè)為最為簡單的拉伸構(gòu)件，那么吊桿的水平分力將可以與拱肋進(jìn)行鞏固配合，極大程度上提高了橋梁整體的穩(wěn)定性和可靠性，這種現(xiàn)象就是非保向力現(xiàn)象。

端橫梁的主要功能就是它可以對拱圈進(jìn)行橫向嵌固，組成端橫梁的材料具有較高的線性剛度，側(cè)向穩(wěn)定性也會因此而提高。由于整個橋面系具有較強(qiáng)的剛度，此時再對系梁以及橫梁的剛度進(jìn)行加強(qiáng)，則極容易產(chǎn)生彎矩現(xiàn)象。大大降低了橋梁結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性和可靠性。根據(jù)計算可以發(fā)現(xiàn)，系梁豎向剛度對橋梁的穩(wěn)定性造成的影響要小于側(cè)向剛度。中橫梁的側(cè)向剛度對橋梁穩(wěn)定性造成的影響要略小于豎向剛度造成的影響。橋梁拱肋的側(cè)向剛度對橋梁的穩(wěn)定性具有一定的積極作用，拱肋的側(cè)向剛度越高，橋梁的穩(wěn)定性也就越高。此外，橋梁拱肋的扭轉(zhuǎn)慣性距的增大也會進(jìn)一步提高橋梁的穩(wěn)定性。

根據(jù)上述分析，可以得出以下結(jié)論：

連續(xù)梁拱組合體系橋梁失穩(wěn)的主要表現(xiàn)為面外側(cè)傾失穩(wěn)。穩(wěn)定性下降的主要模式是對稱的半波，受風(fēng)撐等因素的影響會發(fā)生改變。

非保向力作用能夠使連續(xù)連拱組合體系橋梁側(cè)向穩(wěn)定性得到較大的提高。橋面的橫向剛度是影響非保向力作用發(fā)揮的重要影響因素。

對橋梁穩(wěn)定性具有較高影響的組件是風(fēng)撐，拱肋橫梁等組件的尺寸大小。其中風(fēng)撐的剛度以及設(shè)置形式對穩(wěn)定性造成的影響更大。如果在不設(shè)置風(fēng)撐的情況下，對橋梁穩(wěn)定性具有較大影響的因素就是吊桿和拱肋的側(cè)向剛度。

橫梁是保障橋梁穩(wěn)定性的重要組成部件，如果橋面的剛度足夠大，那么橫梁的剛度對側(cè)向穩(wěn)定性造成的影響就會明顯削弱。

5 結(jié)語

橋梁建設(shè)是道路建設(shè)工程中較為重要的組成部分，橋梁的穩(wěn)定性對過往車輛以行人的生命安全有著極為重大的影響。對橋梁進(jìn)行穩(wěn)定性分析，根據(jù)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行專項(xiàng)施工，加強(qiáng)橋梁的穩(wěn)定性可以最大程度上確保過往車輛以及行人的生命安全。同時也為橋梁的建設(shè)工程提供科學(xué)的數(shù)據(jù)指導(dǎo)和經(jīng)驗(yàn)積累，為我國的社會主義現(xiàn)代化建設(shè)添磚加瓦，積極推動我國基礎(chǔ)建設(shè)能力的提高和發(fā)展。

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