探讨钢管混凝土拱桥的稳定性及极限承载力

董鹂宁

摘 要：一直以来，在公路和城市桥梁的建设过程中，钢管混凝土拱桥都因其具有造型优美、跨越能力大、工程造价低、以及维修养护费用少等显著特点而被广泛的应用。然而，钢管混凝土拱桥也具有一定的局限性，尤其是应用于大跨度钢管混凝土拱桥中时，由于其宽跨小，且刚度弱，所以非常容易出现不稳定现象，或超出极限承载力的现象。鉴于此，本文运用了有限单元法建立了相应的计算模型，以此为基础，分析了钢管混凝土拱桥的失稳模态和临界荷载，以期为更好地设计钢管混凝土拱桥贡献一份力量。

关键词：钢管混凝土；拱桥；稳定性；极限承载力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.081

0 前言

随着科技的不断发展和进步，尤其是计算机技术的发展，将其应用于桥梁结构工程中，不仅有助于缩减劳动力成本，而且还有助与提高效率和精确度。其中，有限元技术就是计算机应用于桥梁结构工程中的一种现代计算方法[1]。钢管混凝土拱桥结构稳定性问题即结构失稳，主要是指其在外界干扰的影响下，导致结构变形、破坏，进而丧失承载能力的问题。从空间形态上可以分为面内失稳、和面外失稳；从性质上可以分为一类稳定（也称分支点失稳）和二类稳定（也称极值点失稳）。然而，无论是哪一类失稳问题，其所导致的危害都是非常严重的。同时，拱桥作为一种压弯结构，其所能承受的极限承载力也是工程师最为关心的问题。鉴于此，本文从以下两个方面进行了论述。

1 计算模型

1.1 研究对象

本文以某钢管混凝土拱桥下承式系杆拱桥为研究对象，其主桥的计算跨径为150m。拱肋主要是钢管混凝土桁肋，桥面主要是以预应力钢箱空心板组合为结构，桥墩所采用的则是钢管混凝土土柱。

1.2 材料参数

钢管混凝土拱桥所采用的材料参数为：①拱肋内砼（C50），弹性模量35GPa，泊松比0.167，材料密度2500kg/m3；②桥面板部分（C30），弹性模量30GPa，泊松比0.167，材料密度2500kg/m3；③吊杆部分，弹性模量195GPa，泊松比0.3，材料密度7800kg/m3；④钢材部分，弹性模量210GPa，泊松比0.3，材料密度7800kg/m3。

1.3 计算模型

本文以通用大型有限元软件ANSYS为基础，建立计算模型。同时，采用空间梁单元模拟，对全桥进行建模，其中共有22185个单元，21164个节点。

2 结果分析工

一般而言，在实际施工的过程中，大部分的杆件所面临的失稳问题都是二类稳定，也就是极值点失稳。因此，本文以静力分析为基础，探讨了钢管混凝土拱桥自重工况下的稳定性和满载工况下的稳定性，进而分析钢管混凝土拱桥的稳定性和极限承载力。

2.1 稳定性分析

由表1可知：在自重条件下，钢管混凝土拱桥发生第一阶失稳的条件是作用于拱桥的力达到自重的3.69倍，这将会导致拱肋左右摇摆，而此时的风撑能力能够发挥较大的作用；第二阶失稳的条件是作用于拱桥的力达到自重的6.20倍，这将会导致拱肋将呈现S曲线，而此时的风撑还未出现较大变形；第三阶失稳的条件是作用于拱桥的力达到自重的7.09倍，此时S曲线有较大的变形，且明显看出风撑的变形；第四阶失稳的条件是作用于拱桥的力达到自重的8.90倍，此时拱肋将从一端的拱脚处同时向外拉开，且在较大变形的地方出现一字型风撑承受的拉力较大。

2.2 极限承载力分析

由表2可知：在满载条件下，钢管混凝土拱桥发生第一阶失稳的条件是作用于拱桥的力达到满载时的力的3.22倍，这将会导致钢管混凝土拱肋左右摇摆，而此时的风撑能力能够发挥较大的作用；第二阶失稳的条件是作用于拱桥的力达到满载时的力的5.23倍，这将会导致钢管混凝土拱肋将呈现S曲线，而此时的风撑还未出现较大变形；第三阶失稳的条件是作用于拱桥的力达到满载时的力的5.98倍，此时钢管混凝土拱肋出现双S曲线，且发生有较大的变形，同时也已明显能看出风撑变形；第四阶失稳的条件是作用于拱桥的力达到满载时的力的7.51倍，此时钢管混凝土拱肋将从一端的拱脚处同时向外拉开，且在较大变形的地方出现一字型风撑承受的拉力较大。

3 结论

总之，钢管混凝土拱桥以钢管混凝土作为主拱承压的主要结构材料，不仅能够相对比较有效地解决拱桥材料高强化问题，还能够有效地解决拱圈施工轻型化问题。因此钢管混凝土拱桥应用的范圍也十分广泛，如上承式拱桥、中承式拱桥、以及下承式拱桥等等。然而，在实际施工过程中，

钢管混凝土拱桥稳定性不足主要是受到了拱肋矢跨比、拱肋刚度、以及荷载组合等等诸多因素的影响。因此，运用有限单元法探讨钢管混凝土拱桥的稳定性及极限承载力，进而总结出不同荷载下钢管混凝土拱桥的失稳模态和极限承载力，希望能够为钢管混凝土拱桥在设计方面和施工方面提供科学合理的指导和帮助。

参考文献：

[1]刘月亮.钢管混凝土拱桥主拱稳定性研究[J].黑龙江科技信息，2017（08）：250-251.endprint