异形拱人行天桥稳定性分析

异形拱人行天桥稳定性分析

拱桥是桥结构中最古老的类型之一。它的力量感和优美的曲线造型，不仅反映了人类的智慧和创造力，也反映了时代背景和城市的象征。目前，平行拱桥因受力合理、经济实用和施工技术成熟等受到桥梁设计人员的青睐。但是，无论多么优美的桥型，使用过多，均容易使人产生审美疲劳，因而人们开始关注异形拱桥的使用1主拱肋结构布置某异形拱人行天桥的拱肋采用二次抛物线拱轴线，矢跨比f/L=1/5，为下承式刚架—系杆钢管混凝土拱，主墩、箱梁与钢管混凝土拱固结。拱肋外倾角为21°，A、B拱圈跨度42.54m，矢高8.68m，吊杆间距2.89m;C拱圈跨度为34.86m，矢高6.97m，吊杆间距2.68m；拱脚处2.0m范围内钢管外径由1.0m渐变至0.8m，壁厚度t=40mm，其余拱圈外径0.8m，壁厚度t=30mm，钢管采用板材卷制而成。管内等间距设置8条纵向板式加劲肋，板式加劲肋径向布置。主拱肋钢管内相邻两吊杆中间位置设置一道垂直于主拱轴线的衬环隔板，吊杆位置的衬环隔板竖向设置，与吊杆方向平行。主拱内灌注C50微膨胀混凝土，要求膨胀率不小于2.5×10桥梁上部结构采用变截面钢箱梁，顶板宽由5.3m渐变至11.3m，箱梁梁高1m，如图2所示。主桥墩为钢管混凝土立柱，采用圆形截面，墩柱钢管外径1.2m，壁厚度t=25mm，内填C40混凝土。基础采用人工挖孔桩基础，桩基直径1.6m。2有限元模型建立本文采用有限元软件Midas/Civil建立该桥的有限元计算模型，其中主梁采用薄板单元模拟，拱肋和横撑采用空间梁单元模拟，梁拱间吊杆采用桁架单元模拟，共2334个节点，2906个单元。模型如图3所示。3要因素研究在进行大跨径钢拱桥设计中，弹性稳定分析往往是控制设计的主要因素，一般作为专题进行研究。拱肋作为拱桥的主要受力构件，在拱桥设计中扮演着重要的角色，因此本文开展了拱肋外倾角度、刚度及其与横撑交点位置等参数对拱桥稳定性的影响研究。3.1异形桥墩失稳状态分析刚度应力的状态（拉应力或压应力）对结构的刚度影响较大，拉应力对结构的刚度有加强效应，而压应力有削弱效应。拱肋主要承受压力，随着压力的增大，刚度弱化效应增加，当压力达到一定值时，刚度弱化超过结构的固有刚度，位移可能无限增加，结构发生屈曲。为了解异形拱桥的失稳状态，本文分全桥恒载（工况1）和全桥恒载+人群荷载（工况2）两种工况开展分析，并提取前5阶屈曲模态，见表1。在两种工况下，该桥主要表现为拱肋的对称侧倾（图4）和反对称侧倾（图5）。现行规范3.2全桥结构稳定性在异形拱桥设计中，拱肋的外倾角度是重要的参数之一。拱肋的外倾角在影响全桥外观的同时对结构的稳定性有着重要作用。该桥的设计外倾角度为21°，本文以21°为中心取±3°讨论桥梁在全桥恒载和人群荷载作用下的结构稳定性。由图6可以看出，结构稳定系数随拱肋外倾角的增大而减小，当外倾角从21°减小到18°时，每减小1°其稳定系数分别增加了2%，当外倾角增加到24°时每增加1°其稳定系数分别减小了2%。3.3设计刚度稳定性拱肋作为拱桥的主要受力结构，其刚度对拱桥的稳定性起着关键作用。因异形拱桥拱肋除了受压外还要承受较大的弯矩，本文针对拱肋的横向和竖向抗弯刚度进行了分析，以设计刚度的0.2倍为单位，取设计刚度的±1倍讨论在全桥恒载和人群荷载作用下的结构稳定性。由图7可知，不论是横向刚度还是竖向刚度，弹性稳定系数都随拱肋刚度的增大而增大，且均为开始时增大效果显著，后期变化曲线趋于稳定。同时可以看出抗弯刚度从0.2倍～0.6倍区间时，竖向抗弯刚度变化对线弹性稳定影响较大，但竖向刚度达到0.6倍后线弹性稳定系数曲线趋于平缓，而横向刚度则到达1.2倍时才趋于平缓。因此当横向刚度和纵向刚度到达一定值时，拱肋刚度的增加对于成桥的稳定性影响不大。3.4拱肋与横撑的点相对位置拱顶横撑可以提高异形拱桥拱肋的横向刚度和整体线弹性稳定性能。为了解横撑对于拱桥稳定性能的影响，本文针对横撑与拱肋空间交点的位置进行研究。设各拱肋拱顶高度为0.0m，讨论横撑与各拱肋交点位置相对于各自拱顶分别下降0.1～1.0m的10组数据对结构稳定性的影响。通过计算拟合得出稳定系数y关于横撑与拱肋交点相对位置x的方程如下：由表2和图8可知，当横撑与拱肋的交点位置从0.0m下降到-0.7m附近时，线弹性稳定系数逐渐增大；当横撑与拱肋的交点位置从-0.7m附近下降到-1m时，线弹性稳定系数逐渐减小。当x=-0.71时，由式（1）可计算出y的最大值为9.35，即当横撑与拱肋交点位置下降到-0.71m时横撑的作用最大。横撑与拱肋交点位置从拱顶下降到-0.71时，线弹性稳定系数增加了10.8%，横撑与拱肋交点位置对成桥的稳定性影响较为显著。4自振频率特性分析结构的自振特性与其刚度有关，结构的几何体系或者刚度变化会对其自振特性产生影响。本文针对该桥拱肋的外倾角度、刚度及其与横撑交点的位置等参数对自振特性的影响进行了研究。根据有限元模型计算，选用子空间迭代法进行求解，得出前10阶的自振频率特性见表3。由表3可以看出，该桥的振型比较复杂，主要包括拱肋的横向振动、扭转振动，桥面系的竖向振动，拱肋横撑的竖向振动。结构基频为1.86，对应的是拱肋的对称侧倾，横撑的对称竖弯。一般的刚性拱桥，基频在2.5～3.5Hz，说明该异形拱桥属于较柔性结构，应重视其动力问题。另外该桥的前两阶振型均出现拱肋的侧倾，说明拱肋的横向刚度较小，设计时应该注意横向稳定问题。在第2阶自振振型中出现了桥面系的侧飘和桥墩的侧倾，并且前10阶振型中有3阶振型出现此现象，说明该异形拱桥的桥墩刚度较小，需要通过增大横向联系梁或者桥墩截面来解决。该桥的第一阶扭转振型出现在第八阶自振振型，出现在面外振动之后，表明该桥的抗扭刚度较强于面外刚度。4.1自振频率随拱肋外倾角的变化拱肋的外倾角在影响全桥外观的同时对结构的稳定性有重要影响。该桥拱肋的设计外倾角度为21°，本文以21°为中心取±3°讨论该桥前10阶自振频率的变化。由图9可以看出，随着拱肋外倾角的增大，各阶频率呈减小趋势，但不明显。从18°增加到24°，基频仅减少了1.0%。除了第3、6、7阶振型其他振型频率变化均不超过5%，而第3、6、7阶振型的频率变化分别也仅为分别减少5.6%,6.8%,5.3%。可以推定拱肋的外倾角对于全桥整体刚度的影响微乎其微。4.2自振特性分析由前文可知，主拱肋的刚度前期调整对结构稳定性有显著的影响，但到达一定值后影响较小。为研究拱肋刚度对于异形拱桥整体刚度和自振特性的影响，本文针对拱肋的抗弯刚度进行分析，以设计刚度为基准调高30%，研究结构的自振特性。由图10可以看出，随着拱肋刚度的增大，各阶频率呈增大趋势。当拱肋刚度提高30%时，结构基频为2.01，比设计刚度时增加了7.9%，效果显著，表明拱肋刚度对于结构的整体刚度影响较大；第8、9、10阶扭转振型频率分别为5.03、5.14、5.70，比原设计值分别提高了12.3%、11.3%、15.2%，说明拱肋的刚度对于结构的抗扭刚度有较大地影响；第4阶振型频率曲线相对平缓，频率只提高了1.5%，效果微乎其微，证明拱肋刚度对于桥面系的侧飘影响不大。4.3拱肋与横撑及拱肋点位置的影响为提高异形拱桥的稳定性能，在拱顶加设了横撑。从前文分析可知拱肋与横撑的交点位置对于异形拱桥稳定性能影响显著，所以本文针对横撑与拱肋空间交点的位置对结构自振特性的影响进行探讨。设各拱肋拱顶高度为0.0m，讨论横撑与各拱肋交点位置相对于各自拱顶分别下降0.2～1.0m对结构自振特性的影响。由图11可以看出，随着横撑与拱肋交点位置的下移，基频呈减少趋势，当横撑与拱肋交点下降1.0m时，基频减少了5.5%。横撑与拱肋的交点位置对拱肋的抗扭刚度影响较大，当横撑与拱肋交点下降1.0m时，第8、第9阶振型分别下降了18.8%和15.4%。因此当横撑与拱肋交于拱肋最高点时更有利于提高此类桥的动力性能，在不影响结构美观和稳定性的情况下应尽可能把横撑设置于拱顶。5拱肋外倾角度和自振特性的影响异形拱桥不同于传统的垂直平行拱桥，其拱肋外倾角度、刚度以及与横撑相交位置的设计，成为结构设计施工中最为关心的问题。本文依托某异形拱人行天桥，采用有限元分析软件进行了结构稳定性和自振特性的参数研究，可以得到以下结论：(1）该桥的屈曲模态中未出现拱肋的面内失稳，可见拱肋的面内刚度较面外刚度大。(2）拱桥的拱肋外倾角度每减少1°，其安全系数增加约2%，在不影响桥梁美观的同时应尽量的减少拱肋外倾角角度。拱桥的拱肋外倾角度对全桥整体刚度影响不大，在结构稳定性允许的条件下，设计时拱肋的外倾角可按照其美观等因数调整。(3）拱肋的截面和材料类型调整对该异形拱桥的稳定性影响效果显著，但到达一定