某铁路80m系杆拱桥结构稳定分析

2015-03-14甘旭东程远志

安徽水利水电职业技术学院学报 2015年1期

甘旭东，程远志

（安徽省交通规划设计研究院有限公司，安徽合肥 230088）

0 引言

系杆拱桥是一种集拱与梁的优点于一身的桥型，它将拱与梁两种基本结构形式组合在一起，共同承受荷载，充分发挥梁受弯、拱受压的结构性能和组合作用，拱端的水平推力用拉杆承受，使拱端支座不产生水平推力。系杆拱桥的拱肋和系梁均具有较大的刚度，结构中布置各种横撑和风撑，使其不仅具有较大的竖向刚度，而且存在更大的侧向刚度，因此能够显著增强拱肋的空间稳定性。

1 桥型布置

根据相关要求及考虑，本桥采用如下布置：跨径80m，梁的两端简支在墩台上，系梁采用单箱双室截面，梁高2.5m。拱肋采用合理拱轴线－－悬链线。失跨比为1：5，悬链线系数为1.167。拱肋截面为由两根Φ800mm×16mm的钢管和腹板组成高2.3m的哑铃型。全桥共布置14根LZM7－61吊杆。6根横撑和3根X撑。具体详细桥型布置及相关尺寸如图1和图2所示。

对钢管混凝土拱桥稳定性，现在主流的分析方法就是利用有限元软件进行稳定性分析，本文采用整桥模型利用弹性理论进行稳定性分析。计算中依据的规范如下：①《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1－2005）；②《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB10002.3－2005）。

2 线性稳定性分析

2.1 模型介绍、材料参数及边界条件

本文采用通用程序ANSYS空间建模计算，线性稳定性分析时，对拱肋用Beam44单元模拟，单元特性中截面采用实际的组合截面，即用不同的材料特性表示混凝土与钢材。对横梁，横撑均采用了Beam44单元进行模拟，吊杆则采用Link10单元模拟。四个支座按照实际的情况分别约束。本拱桥的支座分别为横向活动支座，纵向活动支座，多向活动支座和固定支座。在有限元模型中对四个支座处的自由度进行约束。具体有限元模型如图3所示。

2.2 荷载工况选取

为了计算各种情况下的稳定性共选取了3种不同的工况进行计算。分别是：恒载；恒载＋全桥均布活载；恒载＋半桥均布活载。恒载的大小为110KN/m，均布活载大小为100KN/m。

2.3 约束处理

按照实桥主梁底部的实际支座情况施加约束，即一个固定支座，一个横向动支座，一个纵向活动支座，一个多向活动支座，具体布置如图4所示。

2.4 理论依据

线弹性理论计算中不考虑结构的各种初始缺陷、变形、假定结构失稳时处于弹性小变形范围结构内力与外荷载成比例关系，把结构的稳定分析转化为求解特征值的问题，得到的最小特征值就是失稳的临界荷载。线弹性理论分析计算简便，概念清楚，但是它的理论基础是分支点稳定理论，只能用于理想结构，不能考虑各种初始缺陷的影响。

2.5 分析结果

（1）恒载作用下计算结果。恒载为全桥布置的110KN/m均布荷载。通过ANSYS弹性稳定性分析计算得出其一阶稳定系数为8.386。其二阶失稳稳定系数为9.009。由图5和图6可见，拱桥一阶和二阶失稳为面外失稳。

（2）恒载＋全桥均布荷载作用下计算结果。恒载为全桥布置的110KN/m均布荷载，活载大小为全桥布置的100K/m均布荷载。通过ANSYS弹性稳定性分析计算得出其一阶稳定系数为6.925。二阶失稳稳定系数为7.389。由图7和图8可见，拱桥一阶和二阶失稳为面外失稳。

（3）恒载＋半桥活载作用下计算结果。恒载为全桥布置的110KN/m均布荷载，活载为半桥布置的100KN/m的均布荷载。通过ANSYS弹性稳定性分析计算得出其一阶稳定系数为7.707。二阶失稳稳定系数为8.293。由图9和图10可见，拱桥一阶和二阶失稳为面外失稳。

（4）各种工况结果汇总以及横撑布置对稳定系数的影响。由以上计算结果可以得出结论，本拱桥稳定系数在各种工况下从6.925到8.386满足规范对于稳定性的要求。

拱桥桥面以上有3个X撑和6个横撑，为了考虑X撑和横撑对桥梁稳定性的影响，在原来的模型基础上做了一些修改：去掉X撑、去掉横撑以及同时去掉X撑和横撑加上原模型共4种情况进行了计算分析，分析结果如表1所列。

表1 4种荷载情况下计算的稳定系数列表（一阶失稳）

分析表1中3种工况我们可以看出：恒载加上活载的稳定系数要低于恒载单独作用下的稳定系数。活载中均布荷载越大其稳定系数越低。仅除去X撑稳定系数下降了约16.8%，仅除去横撑稳定系数下降了约9%，除去X撑和横撑稳定系数下降了约64%，由此可以看出在拱肋顶端的X撑和横撑对稳定的影响都十分的重要。其中拱肋顶部X撑对稳定性的贡献要更大些。