斜跨拱斜拉橋的穩定分析

張紅濤 高 遠

(天津市市政工程設計研究院，天津 300051)

現代城市橋梁的功能已不僅僅局限于滿足通行要求，人們更加期望其能以獨特的造型及新穎的設計成為城市地標性建筑來展示和拓展城市魅力。斜跨拱斜拉橋更以其別出心裁的設計和視覺沖擊，在城市橋梁建筑史上留下了濃墨的一筆。然而，作為異形結構，該橋型的穩定性能問題不容忽視，故本文結合工程實際對此加以探討。

1 工程概況

該橋為五跨對稱五拱非對稱索面斜拉橋，橋梁跨梁為(65+45+90+45+65)m，全長310 m。采用高度不等的5個鋼拱作為斜拉塔，拱軸線采用二次拋物線;主梁采用鋼箱梁;主梁與鋼拱之間設有拉索。拉索采用多股平行鋼絲成品索，各跨索距均為10 m。

橫斷面布置為:0.5 m(人行道欄桿)+4 m(人行道+非機動車道)+2.5 m(索區 +邊防撞護欄)+14.5 m(車行道)+0.5 m(中央防撞護欄)+14.5 m(車行道)+2.5 m(索區+邊防撞護欄)+4 m(人行道+非機動車道)+0.5 m(人行道欄桿)，全寬43.5 m。

主梁采用整體箱梁斷面;拉索位于鋼主梁的下錨點，采用耳板+吊耳的形式;全橋共有5個鋼拱，對應65 m，45 m，90 m跨徑布置中、小、大三種尺寸，拱截面為倒三角式六邊形，鋼拱軸線為二次拋物線。

2 穩定分析

結構失穩是指受外力作用，結構的平衡狀態開始喪失穩定性，稍有擾動則變形迅速增大，最后使結構遭到破壞。橋梁結構的穩定性與安全及經濟相關，它與強度問題同樣重要。穩定問題可以分為兩大類:第一類是歐拉穩定性問題，第二類是極值穩定性問題。由于第一類穩定問題是建立在小撓度理論基礎之上，為特征值問題，且它的解是第二類穩定問題的極值點的上限，故本文對第一類穩定進行分析。

2.1 全橋空間有限元模型

全橋結構整體計算分析采用橋梁結構分析專業程序Midas/Civil，考慮拉索、主梁(包括主梁內預應力)、拱塔共同作用，對全橋進行所需的計算和分析。主梁、橋墩和橋塔模擬為空間梁單元，斜拉索為桁架單元。有限元分析模型見圖1。

圖1 有限元分析模型

2.2 成橋穩定性能分析

成橋穩定性能計算的荷載工況分為以下幾種工況:工況1:恒載+風載;工況2:恒載+風載+全橋滿布車載;工況3:恒載+風載+半幅車道偏載;工況4:橫載+風載+中小拱車道偏載。表1給出了四種工況下的一階穩定系數;圖2給出了在最不利荷載工況下的橋梁前五階失穩模態。

表1 荷載工況下成橋穩定系數

圖2 工況3橋梁失穩模態

由計算結果可以得出以下結論:結構的整體穩定遠遠滿足規范穩定系數不小于4的要求;偏載對該異性斜跨拱斜拉結構影響較大;對稱布載反而對橋梁的穩定性能有所提升;橋梁的一階失穩模態皆為90 m主拱屈曲。由于在本橋承重體系中，拱及拉索發揮的作用較小，墩柱在結構承載及穩定性方面起著決定性的作用，才會導致結構的穩定系數遠遠大于規范要求;但這并不妨礙我們對該橋型的穩定特性及其影響因素進行歸納分析:首先，拱的穩定對于全橋穩定來說，是第一要素;其次，偏載對于反對稱結構有著不容忽視的反作用。下面本文將對該橋型的漂浮體系及半漂浮體系給出相關穩定性能分析。

2.3 不同斜拉橋體系下的成橋穩定分析

1)漂浮體系下的成橋穩定分析。

將結構的邊界條件作出相應的修正，可以給出無墩柱支撐狀態下結構的穩定分析，四種工況下的一階穩定系數如表2所示。

表2 漂浮體系成橋穩定系數

工況2(恒載+風載+全橋滿布車載)下一階屈曲模態如圖3所示。

圖3 工況2橋梁—階失穩模態

2)半漂浮體系下的成橋穩定分析。

在主梁與拱之間添加橫向約束，限制主梁的橫向位移，來模擬半漂浮體系下的穩定分析，結果見表3。

表3 半漂浮體系成橋穩定系數

上述計算表明，在漂浮及半漂浮體系下，橋梁結構的失穩表現為主梁的橫向搖擺屈服，主梁質量的增加對其搖擺效應有著比較大的增幅，從而降低結構的穩定性，偏載對結構的影響與原設計中偏載的作用相左，可見不同的體系下，影響結構穩定性的因素是在不斷變化的。

當然，橋梁的整體設計并非單純滿足穩定性要求，完整的橋梁設計需同時滿足受力、穩定、抗震等一系列要求。

3 結語

本文通過對斜跨拱斜拉橋在不同體系、不同工況下的穩定分析，給出了相關的穩定影響因素分析，期許對將來的斜跨拱斜拉橋設計給予參考及幫助。

［1］李國豪.橋梁結構穩定與振動［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［2］劉士林.斜拉橋設計［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［3］龔海帆.高等橋梁結構理論［M］.北京:人民交通出版社，2001.