蒲山大桥施工阶段稳定性分析

王新建，吴红升

(1.商丘师范学院 建筑与土木工程系，河南商丘476000;2.太原市市政工程设计研究院，太原030002)

1 工程概况与施工过程划分

河南岭南高速公路蒲山大桥位于洛阳至南阳高速公路联络线与南水北调工程、焦支铁路交叉处，是太原至澳门国家重点公路的重要组成部分。主桥采用桁架式钢管混凝土系杆拱结构，由3片拱肋组成下承式钢管混凝土系杆拱桥，全桥长225m，计算跨径219m，全桥宽38.8m，双向6车道。拱肋轴线为二次抛物线，矢高43.92m，矢跨比1/5，边拱肋由4根钢管组成，中拱肋由6根钢管组成，每片拱肋的钢管之间用厚2cm的钢板和Φ450x10mm的钢管连接，边拱肋和中拱肋通过风撑组成整体结构，桥面系由3片箱型系杆梁、2片箱型端横梁以及25片T型中横梁组成，拱桥吊杆为每排4根(中间拱肋2根，边拱肋各1根)，每边25根，共计100根吊杆;拱肋、风撑、吊杆、桥面系组成了拱桥的整体空间结构。主桥桥墩承台、桥面板采用C30混凝土，预制系杆、横梁、横梁现浇湿接头、拱肋钢管内填充混凝土采用C55混凝土，主桥桥墩、桥面铺装采用C40混凝土。该种桥型受力复杂，空间效应明显，施工程序多，为了确保蒲山大桥在各施工阶段的安全性，需要对其进行施工阶段的空间稳定性分析。主要施工阶段的划分见表1。

2 建模与计算

为了分析蒲山大桥各施工阶段的稳定性，采用有限元软件Midas/civil分别对各施工阶段建模，在桥梁有限元建模中，结合类似桥梁的建模经验，系杆梁、横梁、拱肋和横撑等构件均采用空间梁单元进行模拟;吊杆采用只承受拉力的空间桁架单元模拟;桥面板用板壳单元模拟;支架采用只受压单元进行模拟，按照刚度等效的原则建立支架;桥梁空间有限元计算模型如图1、2所示。

表1 蒲山大桥主要施工阶段划分

表2 蒲山大桥各主要施工阶段稳定安全系数

图1 有支架有限元模型图

图2 无支架有限元模型图

根据有限元计算模型，采用大型有限元软件Midas/civil分别对每个施工阶段进行稳定性分析，计算结果见表2和图3，限于篇幅，本文仅给出施工阶段8和施工阶段13的失稳模态图如图4、5所示。

图3 蒲山大桥施工阶段稳定安全系数

图4 蒲山大桥施工阶段8失稳模态

图5 蒲山大桥施工阶段13失稳模态

分析计算结果可以得出以下结论:

(1)由于桥梁设计规范中没有拱桥施工期间的稳定安全系数的明确规定，根据相关文献的研究成果，桥梁稳定安全系数的取值不宜小于4，从稳定性计算结果可知，在蒲山大桥各个施工阶段，与桥梁第1阶失稳模态对应的稳定安全系数均满足要求，桥梁施工稳定性处于安全状态。

(2)由图3可以看出，蒲山大桥第一施工阶段的稳定安全系数比其它施工阶段均大，达到35.65，这是因为在施工阶段1中系梁、横梁以及钢管拱肋均设有支撑，桥梁稳定性较好，随着拱肋浇注混凝土、张拉吊杆、安装桥面板以及桥面铺装的施工，增加了施工阶段的荷载，稳定安全系数随之下降，特别是拆除支撑后，桥梁稳定安全系数最低下降到13.05，但也满足稳定安全要求。

(3)在蒲山大桥第6施工阶段的稳定安全系数有所提高，这主要是因为在此施工阶段，张拉了系杆梁中的预应力钢束，其中的部分预应力抵消了因拱脚处所产生的水平推力，同时，由于拱肋钢管灌注了混凝土，与拱肋钢管一起形成空间整体，参与结构的受力，使整个结构的刚度有所提高，稳定系数也相应增大。

(4)蒲山大桥各个施工阶段的第1阶失稳模态均为拱肋侧倾面外屈曲，这与文献中所述的实际钢管混凝土拱桥第1阶失稳模态一般为面外屈曲结论相符合，在该类拱桥的施工中，为了增加施工阶段的安全，应加强拱肋的横向稳定性，同时也说明在拱桥设计中提高拱肋面外刚度是提高其稳定性的最有效的措施之一。

3 成桥后稳定性分析

根据蒲山大桥的结构特点，考虑最大荷载工况:恒载+车道荷载(全桥)进行桥梁在成桥状态下的整体稳定性分析，利用建立的蒲山大桥空间有限元计算模型，采用大型有限元程序Midas/Civil计算蒲山大桥的稳定性，蒲山大桥前4阶稳定安全系数计算结果见表3，前2阶失稳模态图如图6、7所示。

表3 蒲山大桥成桥稳定安全系数

图6 第1阶失稳模态图

图7 第2阶失稳模态图

分析蒲山大桥在成桥状态下的前4阶稳定安全系数和屈曲模态图可以得出以下结论:

(1)该桥成桥状态第1阶稳定安全系数为12.37，满足一般拱桥稳定系数大于4～5的要求，说明拱肋之间的横撑把各根拱肋相互连接成整体，使拱肋具有较大的横向刚度。

(2)从第1阶失稳模态图可以看出，第1阶失稳模态为拱肋面外侧倾屈曲失稳，桥面有稍微的扭转，形状似半个正弦波;拱脚处由于端横梁的约束以及拱脚自身具有较大的刚度，拱脚在面内面外的稳定性均有很大的提高。

(3)该拱桥的侧向刚度小于竖向刚度，桥梁失稳主要以拱肋横向屈曲为主，在桥梁前4阶失稳模态中均以拱肋面外侧倾屈曲为主，没有出现竖向屈曲的失稳模态，与一般拱桥稳定性计算结论相符。

4 结束语

随着桥梁施工的进行，施工荷载不断增加，桥梁稳定安全系数随着下降，特别是拆除支撑后，稳定安全系数下降更多，最低达到13.05，但都在其许可范围之内，能满足施工期间的安全稳定要求。成桥阶段的空间稳定性较好，蒲山大桥拱肋之间的横撑以及桥面系空间结构增加了该桥的横向刚度，提高了稳定性，在最大荷载工况下1阶模态的最小稳定系数达到12.37，满足要求。所以，蒲山大桥各个施工阶段的第1阶失稳模态均为拱肋侧倾面外屈曲，与其对应的稳定安全系数均满足要求。本文计算结果可为同类桥梁稳定性分析提供参考。

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