横撑对斜拉钢管混凝土拱桥整体稳定性影响分析

横撑对斜拉钢管混凝土拱桥整体稳定性影响分析

斜拉钢混凝土拱桥是一种新型桥梁。它是现代斜拉桥与古典拱桥的有机结合。与马来西亚的乌拉雅桥不同，倾斜的不同之处在于它直接将斜拉的绳索缝到了拱桥的背面，而不是从桥面上拉起的。赵月雨等人分析了这类斜拉拱桥的静力性能和经济性能，并指出了提高主拱的张力性能、斜拉拱桥的交叉性能。斜拉拱桥的这项工作建立了一个三维斜长桥模型，分析了其动态特征，并讨论了主要结构参数对振动频率的影响。初金三和丁建国研究了拱结构的稳定性。在文献中，我们研究了拱结构的稳定性。杨海平研究了一般钢混凝土横向联系的影响，并探讨了钢单管混凝土横向结构的横向性质和横向刚度对钢混凝土拱桥的稳定性的影响。然而，在一座新的倾斜拱桥中，倾斜牵引的存在将其与普通拱桥的横向特性以及普通拱桥的横向特性结合起来。结果表明，斜拉拱桥的存在对桥的整体稳定性的影响，以及横支撑的配置、布局方式和横支撑刚性对桥的整体稳定性的影响。1上、下弦钢管壁厚湘潭市湘江四大桥主桥采用120m+400m+120m斜拉飞燕式系杆钢管混凝土拱,以拱结构受力为主,辅以斜拉索受力,如图1所示.主拱肋计算跨径为388m,拱轴线方程为七次抛物线,主拱肋矢跨比为1/5.19,矢高为74.7m,主拱拱肋采用双肋6管桁架截面,钢管壁厚在上、下弦管上沿高度变化,上弦钢管壁厚分别为28mm,24mm,22mm;下弦钢管壁厚分别为28mm,24mm,20mm;上弦钢管全部灌注C50无收缩混凝土,下弦钢管距拱脚中心水平距离0～116m范围内灌注C50无收缩混凝土,其余为空钢管.主拱总共布置9道横撑,拱顶为一道米字撑,8道K字撑和2道肋间横梁.主跨桥面板采用悬吊体系,桥面结构由钢横梁、钢纵梁、桥面板组成.斜拉索的布置采用空间索型,每塔10对斜拉索.主桥吊杆采用横向双吊杆体系.主桥共设39对吊杆,间距为8m.拱座由上拱座、下拱座以及拱座系梁组成.2计算方法和计算模型2.1结构的稳定性线性屈曲问题在数学上是一个特征值问题的求解,其有限元表达式为:(K0+λKσ)d=λP.(1)式中:K0为结构的弹性刚度矩阵;Kσ为结构的几何刚度矩阵;λ为稳定系数;d为位移矩阵;P为荷载矩阵.从以上的平衡方程可以解出位移的表达式:d=(K0+λK)-1λP.(2)当|K0+λKσ|=0(3)时,位移d趋于无穷大,结构就丧失了稳定性,因此式(3)为计算稳定系数的特征方程,最小的λ就是结构的稳定系数.2.2式等效材料特性采用大型通用有限元软件ANSYS建立全桥模型,主拱肋钢管混凝土结构应用《钢-混凝土组合结构设计规程》(DL5099-97)中给出的计算公式等效为一种材料,表1列出相应的3根主弦管换算后的截面特性,边跨梁和桥面板都采用鱼骨式3主梁来模拟.在有限元模型中,主拱弦管、各连接管、边拱、塔、边梁、桥面板都用梁单元BEAM188来模拟;缀板、腹板用板单元SHELL63来模拟;各个支座以及刚臂都用梁单元BEAM4来模拟;斜拉索、吊杆、系杆用杆单元LINK8来模拟.对承台、拱座没有建模,拱脚、塔底、边拱脚直接固结.斜拉索和系杆都以初应变的方式计入.有限元模型如图2.3结论分析3.1原桥和原桥之间的稳定性比较如图3所示,模型1为原桥模型,原桥布置9道横撑,拱顶一道米字撑,拱脚桥面下布置两道K字撑,桥面上方到拱顶之间分别布置6道K字撑;模型2为去掉了拱顶的米字撑;模型3为去掉3/8处的K字撑;模型4为去掉1/4处的K字撑;模型5为去掉1/8处的K字撑;模型6为去掉拱脚的K字撑.不同模型相应的稳定安全系数及失稳形式如表2所示.不同模型的失稳模态如图4所示.从表2可知,原桥以及各种修改模型的失稳模态都是面外失稳,可见大跨度斜拉拱桥的面外稳定问题仍然是处于主导地位的稳定问题.对称地去掉两道横撑后,只有模型6与原桥的稳定安全系数一样,说明拱脚横撑对全桥的稳定性贡献很小.其余几个模型的稳定性都较原桥模型有不同程度的降低.其中影响最大的是去掉3/8处的K字撑(模型3),其稳定安全系数为3.70,比原桥的稳定安全系数降低了约41%;其次是去掉1/4处的K字撑(模型4),其稳定安全系数比原桥降低了约33%;在桥面以上的3道K字撑中,越接近拱顶,对稳定性的影响越大.拱顶处的米字撑去掉之后,不但稳定系数降幅达33%,同时也改变了结构的失稳模态,其作用也不可忽视.相比之下,对结构稳定性影响最大的应该是桥面以上3/8处的K字撑位置.考虑在原桥模型的基础上把3/8处的K字撑改为米字撑,这样提高了横撑的刚度,验证在此关键部位是否能对整桥稳定性有很大提高.修改后的模型为模型7,得到的稳定安全系数为6.76,相应的失稳模态为面外单波,其稳定性较原桥提高了8%,提高的程度不是很大,因此,在这个部位布置横撑很有必要,但是一般的K字撑就可以满足要求了.再考虑将模型7去掉拱顶的米字横撑得到模型8,验证是否能通过将3/8处的K字撑换成米字撑而可以去掉拱顶的米字撑.得到的稳定安全系数为4.57,相应的失稳模态为面外双波.其稳定性比模型2提高了8%,但是比原桥模型降低了27%.可见并不能通过将3/8横撑改成米字撑而去掉拱顶的米字撑.可以类推,即便把其他的K字撑都改成米字撑,也就是将横向联系的刚度加大,在拱顶这种关键部位也不能去掉横撑.将3道对称的K字撑依次换成米字撑,所得的稳定安全系数如表3.从表3可以看出横向联系刚度越大,稳定性越好.为了加强稳定性,修改横向联系的形式,也就是增加横向联系的刚度,将K字撑变米字撑,从施工来讲更为简单,造价也比较低廉.通过分析表3可知,若只想修改一处横撑来改变横向刚度,则把3/8处K字撑变米字撑效果好些,可以将稳定安全系数提高8%.若修改两处横撑,则同时修改3/8处和1/4处横撑效果更好些,可以将稳定安全系数提高13%.若将所有横撑全部修改,则将稳定安全系数提高得更多,达22%.表3还列出了将其中两处K字撑变米字撑,另外一处K字撑去掉的3种模型的结果.结果表明,这3种模型的稳定性都没有原桥的稳定性好.可见增加横撑的数量比只加强横撑的横向刚度更能提高稳定性,因为一定数量的横撑可以缩短拱肋的自由长度,在同等数量的横撑下,加强横撑刚度才能起比较大的作用.因此,在大跨度斜拉拱桥的设计中,首先要考虑在拱肋的纵向较均匀地布置横向联系,尽可能使拱肋的自由长度缩小,再考虑选用一字撑、K字撑或者米字撑.3.2横撑的刚度当选择好横撑数量以及横撑的布置形式后,接下来就要选择横撑各管件的材料,确定其尺寸,这些因素可以直接影响横撑的刚度.为了考虑问题方便,在原桥横撑布置不变的情况下,通过改变横向弦管的截面以及材料特性来改变横撑的刚度,分析结果如表4.从表4可以看出,横撑刚度增大,稳定性提高,刚度减小,稳定性降低.刚度增大20%,稳定性只能提高1.3%.因此采取增大横撑弦管尺寸或者改变材料以提高横撑刚度的方法来提高稳定性,效果不明显.4横撑的设计布置从我们的分析可以看出,对于斜拉拱桥而言,横撑对稳定性的影响基本体现了和一般钢管混凝土拱桥相同的性质.对结构稳定性影响最大的是桥面3/8处的K字撑.增加横撑的数量比提高横撑的横向刚度更能提高稳定性