中承式钢拱桥稳定性影响参数分析

李 双 全

(厦门大学建筑与土木工程学院，福建 厦门 361005)



中承式钢拱桥稳定性影响参数分析

李 双 全

(厦门大学建筑与土木工程学院，福建 厦门 361005)

以某中承式钢拱桥为研究对象，基于有限元稳定分析理论，采用大型有限元软件ANSYS，对该拱桥的稳定安全系数进行了计算，并从荷载布置方式、拱肋抗弯刚度、主梁抗弯刚度、吊杆刚度等方面，分析了影响该拱桥稳定性的因素，得到了一些有价值的结论。

钢拱桥，稳定性，有限元，安全系数

0 引言

中承式拱桥是一种常见的拱桥类型，单肋拱由于没有横撑的作用，横向刚度小，容易发生面外失稳，所以对其进行稳定性研究是十分必要的[1，2]。本文采用线弹性有限元稳定分析理论[3，4]，以厦门市天圆大桥为背景，利用ANSYS有限元软件[5]分析了该拱桥的稳定性，并分析了荷载布置方式、拱肋抗弯刚度、主梁抗弯刚度、吊杆刚度对该拱桥稳定性的影响。

1 稳定性分析

1.1 工程概况

厦门市天圆大桥结构形式为单肋中承式钢拱桥，主跨的计算跨度为120 m，矢高为28.5 m，矢跨比为1/4.21。主梁为一单跨简支梁，截面形式采用等截面带翼缘的扁平钢箱梁，梁高2.211 5 m，宽32.2 m，长127 m，壁厚0.01 m，主梁中间设置有横隔板，整体刚度大。拱肋采用变截面矩形钢箱加劲梁断面，拱肋与拱座固接。拱脚拱肋截面宽3 m，高2 m，拱顶拱肋截面宽2 m，高1.3 m，拱肋截面壁厚为0.02 m。吊杆采用刚性吊杆，吊杆间距为6 m，吊杆与桥面之间以及吊杆与拱肋之间均为铰接。车道数为六车道，钢材取用GB/T 1591—94要求的低合金钢Q345-C。

1.2 有限元模型的建立

拱肋和主梁均采用梁单元Beam189模拟，吊杆采用杆单元Link180模拟，横隔板采用带刚度和质量的质量单元Mass21模拟。为了车道荷载的布置，在主梁轴线上加横向刚臂，平行于主梁轴线的方向上加车道荷载线，刚臂和车道线均采用梁单元Beam189模拟，且质量均不计，其中刚臂的弹性模量为2.1×105GPa，车道线的弹性模量为210 GPa，有限元模型见图1。

1.3 特征值屈曲分析

在不同工况荷载作用下，计算拱桥的稳定安全系数与失稳模态。计算结果见表1。

表1 不同工况下的稳定安全系数与1阶失稳模态

在恒载和全桥均布活载组合作用下，稳定安全系数从28.207降低到15.683，下降了44.4%。

在恒载和风荷载组合作用下，稳定安全系数从28.207降低到23.559，下降了16.48%。

2 稳定性参数分析

对拱桥进行主梁抗弯刚度、拱肋抗弯刚度、吊杆刚度的参数影响分析，选取10个不同的状态，分别是从原设计值的0.2倍增加到2倍。结果如图2～图4所示。

当主梁抗弯刚度减小到原设计值的0.2倍时，面外稳定安全系数减小了4.05%，面内稳定安全系数减小了60.06%；当主梁抗弯刚度增加到原设计值的2倍时，面外稳定安全系数增加了2.9%,

面内稳定安全系数增加了30.7%。

当拱肋抗弯刚度减小到原设计值的0.2倍时，面内稳定安全系数减小了64.31%，面外稳定安全系数减小了76.73%；当拱肋抗弯刚度增加到原设计值的2倍时，面内稳定安全系数增加了19.68%，面外稳定安全系数增加了92.69%。

当吊杆刚度减小到原设计值的0.2倍时，面内稳定安全系数减小了7.66%，面外稳定安全系数增加了0.83%；当吊杆刚度增加到原设计值的2倍时，面内稳定安全系数增加了1.06%，面外稳定安全系数减小了0.1%。

3 结语

通过对厦门市天圆大桥进行稳定性分析，可以得到如下结论：

1)全桥均布活载的布载方式对结构的稳定性有很大的影响，且在全桥均布活载布置下，结构最容易发生面外失稳。风荷载对该拱桥横向稳定性有一定的影响。该拱桥在有车道荷载组合的情况下，风荷载对结构稳定性的影响可以忽略不计。 2)主梁抗弯刚度对该拱桥面外稳定安全系数基本上没有影响，面内稳定安全系数随着主梁抗弯刚度的增大而增大。3)面外稳定安全系数与拱肋抗弯刚度之间基本呈线性增加的关系，面内稳定安全系数随着拱肋抗弯刚度的增大而增大。4)吊杆刚度对面外稳定安全系数基本没有影响，面内稳定安全系数随着吊杆刚度的增加而增加，但增加幅度不大。

[1] 李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京：中国铁道出版社,1992.

[2] 项海帆,刘光栋.拱结构的稳定与振动[M].北京：人民交通出版社，1991.

[3] 项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京：人民交通出版社，1991.

[4] 王勖成.有限单元法[M].北京：清华大学出版社，2003.

[5] 张洪才,何 波.有限元分析——ANSYS13.0从入门到实战[M].北京：机械工业出版社,2011.

Analysis of the influencing parameters of stability for half-through steel arch bridge

Li Shuangquan

(SchoolofArchitectureandCivilEngineering,XiamenUniversity,Xiamen361005,China)

Based on the stability theory of arch bridge， the finite element software ANSYS is used to calculated the stability factor and study the influencing parameters to the stability of a half-through steel arch bridge， those influencing parameters include the load-arrangement method， the rigidity of rib， the bending rigidity of main girder， the rigidity of suspender, some valuable conclusions are obtained.

steel arch bridge, stability, finite element， safety factor

1009-6825(2016)13-0170-02

2016-02-27

李双全(1989- )，男，在读硕士

U441

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