橫撐對斜拉鋼管混凝土拱橋整體穩(wěn)定性影響分析

橫撐對斜拉鋼管混凝土拱橋整體穩(wěn)定性影響分析

斜拉鋼混凝土拱橋是一種新型橋梁。它是現(xiàn)代斜拉橋與古典拱橋的有機結(jié)合。與馬來西亞的烏拉雅橋不同，傾斜的不同之處在于它直接將斜拉的繩索縫到了拱橋的背面，而不是從橋面上拉起的。趙月雨等人分析了這類斜拉拱橋的靜力性能和經(jīng)濟性能，并指出了提高主拱的張力性能、斜拉拱橋的交叉性能。斜拉拱橋的這項工作建立了一個三維斜長橋模型，分析了其動態(tài)特征，并討論了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對振動頻率的影響。初金三和丁建國研究了拱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在文獻中，我們研究了拱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。楊海平研究了一般鋼混凝土橫向聯(lián)系的影響，并探討了鋼單管混凝土橫向結(jié)構(gòu)的橫向性質(zhì)和橫向剛度對鋼混凝土拱橋的穩(wěn)定性的影響。然而，在一座新的傾斜拱橋中，傾斜牽引的存在將其與普通拱橋的橫向特性以及普通拱橋的橫向特性結(jié)合起來。結(jié)果表明，斜拉拱橋的存在對橋的整體穩(wěn)定性的影響，以及橫支撐的配置、布局方式和橫支撐剛性對橋的整體穩(wěn)定性的影響。1上、下弦鋼管壁厚湘潭市湘江四大橋主橋采用120m+400m+120m斜拉飛燕式系桿鋼管混凝土拱,以拱結(jié)構(gòu)受力為主,輔以斜拉索受力,如圖1所示.主拱肋計算跨徑為388m,拱軸線方程為七次拋物線,主拱肋矢跨比為1/5.19,矢高為74.7m,主拱拱肋采用雙肋6管桁架截面,鋼管壁厚在上、下弦管上沿高度變化,上弦鋼管壁厚分別為28mm,24mm,22mm;下弦鋼管壁厚分別為28mm,24mm,20mm;上弦鋼管全部灌注C50無收縮混凝土,下弦鋼管距拱腳中心水平距離0～116m范圍內(nèi)灌注C50無收縮混凝土,其余為空鋼管.主拱總共布置9道橫撐,拱頂為一道米字撐,8道K字撐和2道肋間橫梁.主跨橋面板采用懸吊體系,橋面結(jié)構(gòu)由鋼橫梁、鋼縱梁、橋面板組成.斜拉索的布置采用空間索型,每塔10對斜拉索.主橋吊桿采用橫向雙吊桿體系.主橋共設(shè)39對吊桿,間距為8m.拱座由上拱座、下拱座以及拱座系梁組成.2計算方法和計算模型2.1結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性線性屈曲問題在數(shù)學上是一個特征值問題的求解,其有限元表達式為:(K0+λKσ)d=λP.(1)式中:K0為結(jié)構(gòu)的彈性剛度矩陣;Kσ為結(jié)構(gòu)的幾何剛度矩陣;λ為穩(wěn)定系數(shù);d為位移矩陣;P為荷載矩陣.從以上的平衡方程可以解出位移的表達式:d=(K0+λK)-1λP.(2)當|K0+λKσ|=0(3)時,位移d趨于無窮大,結(jié)構(gòu)就喪失了穩(wěn)定性,因此式(3)為計算穩(wěn)定系數(shù)的特征方程,最小的λ就是結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù).2.2式等效材料特性采用大型通用有限元軟件ANSYS建立全橋模型,主拱肋鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用《鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》(DL5099-97)中給出的計算公式等效為一種材料,表1列出相應(yīng)的3根主弦管換算后的截面特性,邊跨梁和橋面板都采用魚骨式3主梁來模擬.在有限元模型中,主拱弦管、各連接管、邊拱、塔、邊梁、橋面板都用梁單元BEAM188來模擬;綴板、腹板用板單元SHELL63來模擬;各個支座以及剛臂都用梁單元BEAM4來模擬;斜拉索、吊桿、系桿用桿單元LINK8來模擬.對承臺、拱座沒有建模,拱腳、塔底、邊拱腳直接固結(jié).斜拉索和系桿都以初應(yīng)變的方式計入.有限元模型如圖2.3結(jié)論分析3.1原橋和原橋之間的穩(wěn)定性比較如圖3所示,模型1為原橋模型,原橋布置9道橫撐,拱頂一道米字撐,拱腳橋面下布置兩道K字撐,橋面上方到拱頂之間分別布置6道K字撐;模型2為去掉了拱頂?shù)拿鬃謸?模型3為去掉3/8處的K字撐;模型4為去掉1/4處的K字撐;模型5為去掉1/8處的K字撐;模型6為去掉拱腳的K字撐.不同模型相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)及失穩(wěn)形式如表2所示.不同模型的失穩(wěn)模態(tài)如圖4所示.從表2可知,原橋以及各種修改模型的失穩(wěn)模態(tài)都是面外失穩(wěn),可見大跨度斜拉拱橋的面外穩(wěn)定問題仍然是處于主導(dǎo)地位的穩(wěn)定問題.對稱地去掉兩道橫撐后,只有模型6與原橋的穩(wěn)定安全系數(shù)一樣,說明拱腳橫撐對全橋的穩(wěn)定性貢獻很小.其余幾個模型的穩(wěn)定性都較原橋模型有不同程度的降低.其中影響最大的是去掉3/8處的K字撐(模型3),其穩(wěn)定安全系數(shù)為3.70,比原橋的穩(wěn)定安全系數(shù)降低了約41%;其次是去掉1/4處的K字撐(模型4),其穩(wěn)定安全系數(shù)比原橋降低了約33%;在橋面以上的3道K字撐中,越接近拱頂,對穩(wěn)定性的影響越大.拱頂處的米字撐去掉之后,不但穩(wěn)定系數(shù)降幅達33%,同時也改變了結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模態(tài),其作用也不可忽視.相比之下,對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響最大的應(yīng)該是橋面以上3/8處的K字撐位置.考慮在原橋模型的基礎(chǔ)上把3/8處的K字撐改為米字撐,這樣提高了橫撐的剛度,驗證在此關(guān)鍵部位是否能對整橋穩(wěn)定性有很大提高.修改后的模型為模型7,得到的穩(wěn)定安全系數(shù)為6.76,相應(yīng)的失穩(wěn)模態(tài)為面外單波,其穩(wěn)定性較原橋提高了8%,提高的程度不是很大,因此,在這個部位布置橫撐很有必要,但是一般的K字撐就可以滿足要求了.再考慮將模型7去掉拱頂?shù)拿鬃謾M撐得到模型8,驗證是否能通過將3/8處的K字撐換成米字撐而可以去掉拱頂?shù)拿鬃謸?得到的穩(wěn)定安全系數(shù)為4.57,相應(yīng)的失穩(wěn)模態(tài)為面外雙波.其穩(wěn)定性比模型2提高了8%,但是比原橋模型降低了27%.可見并不能通過將3/8橫撐改成米字撐而去掉拱頂?shù)拿鬃謸?可以類推,即便把其他的K字撐都改成米字撐,也就是將橫向聯(lián)系的剛度加大,在拱頂這種關(guān)鍵部位也不能去掉橫撐.將3道對稱的K字撐依次換成米字撐,所得的穩(wěn)定安全系數(shù)如表3.從表3可以看出橫向聯(lián)系剛度越大,穩(wěn)定性越好.為了加強穩(wěn)定性,修改橫向聯(lián)系的形式,也就是增加橫向聯(lián)系的剛度,將K字撐變米字撐,從施工來講更為簡單,造價也比較低廉.通過分析表3可知,若只想修改一處橫撐來改變橫向剛度,則把3/8處K字撐變米字撐效果好些,可以將穩(wěn)定安全系數(shù)提高8%.若修改兩處橫撐,則同時修改3/8處和1/4處橫撐效果更好些,可以將穩(wěn)定安全系數(shù)提高13%.若將所有橫撐全部修改,則將穩(wěn)定安全系數(shù)提高得更多,達22%.表3還列出了將其中兩處K字撐變米字撐,另外一處K字撐去掉的3種模型的結(jié)果.結(jié)果表明,這3種模型的穩(wěn)定性都沒有原橋的穩(wěn)定性好.可見增加橫撐的數(shù)量比只加強橫撐的橫向剛度更能提高穩(wěn)定性,因為一定數(shù)量的橫撐可以縮短拱肋的自由長度,在同等數(shù)量的橫撐下,加強橫撐剛度才能起比較大的作用.因此,在大跨度斜拉拱橋的設(shè)計中,首先要考慮在拱肋的縱向較均勻地布置橫向聯(lián)系,盡可能使拱肋的自由長度縮小,再考慮選用一字撐、K字撐或者米字撐.3.2橫撐的剛度當選擇好橫撐數(shù)量以及橫撐的布置形式后,接下來就要選擇橫撐各管件的材料,確定其尺寸,這些因素可以直接影響橫撐的剛度.為了考慮問題方便,在原橋橫撐布置不變的情況下,通過改變橫向弦管的截面以及材料特性來改變橫撐的剛度,分析結(jié)果如表4.從表4可以看出,橫撐剛度增大,穩(wěn)定性提高,剛度減小,穩(wěn)定性降低.剛度增大20%,穩(wěn)定性只能提高1.3%.因此采取增大橫撐弦管尺寸或者改變材料以提高橫撐剛度的方法來提高穩(wěn)定性,效果不明顯.4橫撐的設(shè)計布置從我們的分析可以看出,對于斜拉拱橋而言,橫撐對穩(wěn)定性的影響基本體現(xiàn)了和一般鋼管混凝土拱橋相同的性質(zhì).對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響最大的是橋面3/8處的K字撐.增加橫撐的數(shù)量比提高橫撐的橫向剛度更能提高穩(wěn)定性