发布时间：2014-08-06所属分类：科技论文浏览：1次
摘 要： 摘要：拱肋的失稳形态分为纵向失稳(又称面内失稳)和横向失稳(又称面外失稳或侧倾失稳)。采用无支架施工或在拱上建筑完成前就脱架的大跨度拱桥，应验算拱的纵向稳定性。 关键字：整体吊装,钢箱拱肋,稳定性,几何非线性 1 稳定理论概述 钢桥的稳定具有与强度同
摘要：拱肋的失稳形态分为纵向失稳(又称面内失稳)和横向失稳(又称面外失稳或侧倾失稳)。采用无支架施工或在拱上建筑完成前就脱架的大跨度拱桥，应验算拱的纵向稳定性。
关键字：整体吊装,钢箱拱肋,稳定性,几何非线性
1 稳定理论概述
钢桥的稳定具有与强度同等重要的意义，拱桥的拱肋是以受压为主的压弯构件，当拱肋采用钢结构时容易发生整体失稳。
按照结构失稳是否发生质变的观点，一般将稳定问题分为两类[1]：
第一类稳定问题和第二类稳定问题。实际工程稳定问题一般都表现为第二类失稳，但因为第一类稳定问题是特征值问题，求解方便，且在许多情况下两类问题的临界值相差不大，因此研究第一类问题仍有重要意义。
2 拱桥稳定理论
考虑到实际拱桥施工过程中有可能出现各种问题：钢构件焊接残余应力、构件安装偏差、压力线随荷载的增加不断变化、拱轴线的弹性压缩等，拱结构除了承受较大的轴压力外还承受了弯矩和扭矩。在非对称荷载作用下，拱在发生竖向变形的同时也发生水平变位，随着荷载的增加，在应力较大的区域出现了塑性变形，结构的变位在变形形式没有改变的情况下，荷载继续增大，当荷载增大到一定数值时，即使荷载不再增加，结构的变形也会迅速增大致使结构发生破坏。对于一般的拱桥结构，其受力以面内为主，面内失稳以极值点失稳为主;而对于宽跨比比较小的提篮拱桥结构，既可能发生面内失稳又可能发生面外失稳，即侧倾失稳，而面外失稳以分支点失稳为主[15]。
3稳定性分析实例
某拱桥钢箱拱肋采用整体提升法施工，考虑自重、临时拉索张拉力和提升过程中的横桥向风荷载作用。拱肋和提升支架均受到风力作用，拱肋提升拉索为柔性结构，不能承受横桥向风荷载作用，拱肋的风荷载通过提升拉索传至提升支架上。提升支架为钢桁架结构，截面尺寸小，风压力小，拱肋截面高，风荷载作用不可忽视。因此，有必要对提升支架和提升段拱肋进行稳定性分析。提升支架为临时结构，不在施工监控的服务范围内，此处不予计算分析。采用有限元分析软件ANSYS10.0对该拱桥钢箱拱肋进行稳定性分析，取拱肋施工过程中的最不利工况进行稳定性分析，分析工况如表1所示：
表1 钢箱拱稳定性分析工况表
工况结构荷载边界支撑
CS1：整体提升拱肋、滑靴、提升支架、临时拉索自重、张拉预应力、横桥向风荷载提升点支撑
3.1 线弹形分析结果
拱肋的失稳形态分为纵向失稳(又称面内失稳)和横向失稳(又称面外失稳或侧倾失稳)。采用无支架施工或在拱上建筑完成前就脱架的大跨度拱桥，应验算拱的纵向稳定性。当拱圈宽度小于跨径的1/20时，应验算拱的横向稳定性。拱肋稳定系数应>4.5-5，以保证结构的安全[17]。
CS1工况下对模型进行线弹性屈曲分析，分析结果如下。
3.1.1 不考虑风荷载的情况
CS1(整体提升)工况下，仅考虑结构自重和临时拉索张拉力时，拱肋前10阶稳定安全系数及相应的失稳模态如表2所示。其稳定安全系数为20.57>5，主拱肋整体稳定性满足工程设计要求。
表2 前10阶稳定安全系数及相应失稳模态
屈曲阶数安全系数失稳形态屈曲阶数安全系数失稳形态
120.57面内对称失稳675.61面内对称失稳
231.12面内对称失稳7114.35面内对称失稳
352.83面内对称失稳8119.74面内对称失稳
459.20面内对称失稳9131.39面内对称失稳
566.36面内对称失稳10143.03面内对称失稳
3.1.2 考虑风荷载的情况
CS1(整体提升)工况下，考虑了结构自重、临时拉索张拉力、横桥向风荷载的情况时，拱肋前10阶稳定安全系数及相应的失稳模态如表3所示。其稳定安全系数为20.25>5，主拱肋稳定性满足工程设计要求。
表3前10阶稳定安全系数及相应失稳模态
屈曲阶数安全系数失稳形态屈曲阶数安全系数失稳形态
120.25面外对称失稳674.88面外对称失稳
231.00面外对称失稳7105.12面外对称失稳
352.07面外对称失稳8121.69面外对称失稳
458.75面外对称失稳9129.25面外对称失稳
566.09面外对称失稳10137.14面外对称失稳
3.2 非线性极限承载力计算
当结构的位移大到足以使几何形状发生显著改变时，必须按变形的位置建立平衡方程，即考虑结构的几何非线性影响[15]。
为考察几何非线性效应对结构稳定安全的影响，对结构进行了考虑了几何非线性的拱肋极限承载力计算，结果如下。
CS1(整体提升)工况下，拱肋稳定安全系数为11.35>5，结构稳定性满足设计要求。
3.3 对比分析
表4 拱肋提升稳定安全系数
计算情况安全系数失稳形态
自重、拉索张拉力20.57面内对称失稳
自重、拉索张拉力、风荷载20.25面外对称失稳
自重、拉索张拉力、风荷载
(考虑几何非线性)11.35面外对称失稳
如表4所示，横桥向风荷载对提升拱的稳定系数影响较小;而几何非线性对提升拱的稳定系数影响很大。在主拱提升工况下，临时索—拱结构属于柔性结构，进行稳定性计算分析时，其几何非线性效应需要考虑。
4 结论
本文详述了桥梁结构的一类稳定和二类稳定问题，介绍了拱桥的两种失稳形态：面内失稳和面外失稳。采用ANSYS软件对该拱桥主拱肋提升过程中的最不利工况进行了稳定性分析，考虑了三种情况，得出结论如下：
(1)仅考虑恒载(自重)的情况下，拱肋结构的整体稳定安全系数为20.57，满足规范要求。
(2)考虑了恒载和横桥向风荷载后，拱肋结构的整体稳定安全系数为20.25，满足规范要求。
(3)考虑了几何非线性效应后，拱肋结构的整体稳定安全系数为11.35，满足规范要求。
(4)对比计算分析可知，拱肋提升过程中，风荷载对拱肋的一类失稳问题影响不是很大。
(5)拱肋整体提升施工时，临时索—拱结构为柔性结构，进行稳定性分析时几何非线性的影响不容忽视。
参考文献
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[2] 曹正洲,冯玉涛,沈逢俊等.大跨径钢箱提篮拱桥空间稳定性分析[J].桥梁设,2011,(1):43-47
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[4] 刘思敏.大跨径钢箱提篮拱桥施工阶段稳定性研究[D].重庆交通大学,2010
[5] 顾颖.大跨度劲性骨架混凝土拱桥稳定性分析[D].西南交通大学,2011
[6] TB10002D1-2005,铁路桥涵设计基本规范[S],北京:中国铁道出版社,2005
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