斜跨拱斜拉桥的稳定分析

2014-06-06张红涛

山西建筑 2014年15期

张红涛高远

(天津市市政工程设计研究院，天津 300051)

现代城市桥梁的功能已不仅仅局限于满足通行要求，人们更加期望其能以独特的造型及新颖的设计成为城市地标性建筑来展示和拓展城市魅力。斜跨拱斜拉桥更以其别出心裁的设计和视觉冲击，在城市桥梁建筑史上留下了浓墨的一笔。然而，作为异形结构，该桥型的稳定性能问题不容忽视，故本文结合工程实际对此加以探讨。

1 工程概况

该桥为五跨对称五拱非对称索面斜拉桥，桥梁跨梁为(65+45+90+45+65)m，全长310 m。采用高度不等的5个钢拱作为斜拉塔，拱轴线采用二次抛物线;主梁采用钢箱梁;主梁与钢拱之间设有拉索。拉索采用多股平行钢丝成品索，各跨索距均为10 m。

横断面布置为:0.5 m(人行道栏杆)+4 m(人行道+非机动车道)+2.5 m(索区 +边防撞护栏)+14.5 m(车行道)+0.5 m(中央防撞护栏)+14.5 m(车行道)+2.5 m(索区+边防撞护栏)+4 m(人行道+非机动车道)+0.5 m(人行道栏杆)，全宽43.5 m。

主梁采用整体箱梁断面;拉索位于钢主梁的下锚点，采用耳板+吊耳的形式;全桥共有5个钢拱，对应65 m，45 m，90 m跨径布置中、小、大三种尺寸，拱截面为倒三角式六边形，钢拱轴线为二次抛物线。

2 稳定分析

结构失稳是指受外力作用，结构的平衡状态开始丧失稳定性，稍有扰动则变形迅速增大，最后使结构遭到破坏。桥梁结构的稳定性与安全及经济相关，它与强度问题同样重要。稳定问题可以分为两大类:第一类是欧拉稳定性问题，第二类是极值稳定性问题。由于第一类稳定问题是建立在小挠度理论基础之上，为特征值问题，且它的解是第二类稳定问题的极值点的上限，故本文对第一类稳定进行分析。

2.1 全桥空间有限元模型

全桥结构整体计算分析采用桥梁结构分析专业程序Midas/Civil，考虑拉索、主梁(包括主梁内预应力)、拱塔共同作用，对全桥进行所需的计算和分析。主梁、桥墩和桥塔模拟为空间梁单元，斜拉索为桁架单元。有限元分析模型见图1。

图1 有限元分析模型

2.2 成桥稳定性能分析

成桥稳定性能计算的荷载工况分为以下几种工况:工况1:恒载+风载;工况2:恒载+风载+全桥满布车载;工况3:恒载+风载+半幅车道偏载;工况4:横载+风载+中小拱车道偏载。表1给出了四种工况下的一阶稳定系数;图2给出了在最不利荷载工况下的桥梁前五阶失稳模态。

表1 荷载工况下成桥稳定系数

图2 工况3桥梁失稳模态

由计算结果可以得出以下结论:结构的整体稳定远远满足规范稳定系数不小于4的要求;偏载对该异性斜跨拱斜拉结构影响较大;对称布载反而对桥梁的稳定性能有所提升;桥梁的一阶失稳模态皆为90 m主拱屈曲。由于在本桥承重体系中，拱及拉索发挥的作用较小，墩柱在结构承载及稳定性方面起着决定性的作用，才会导致结构的稳定系数远远大于规范要求;但这并不妨碍我们对该桥型的稳定特性及其影响因素进行归纳分析:首先，拱的稳定对于全桥稳定来说，是第一要素;其次，偏载对于反对称结构有着不容忽视的反作用。下面本文将对该桥型的漂浮体系及半漂浮体系给出相关稳定性能分析。