中承式鋼拱橋穩定性影響參數分析

李 雙 全

(廈門大學建筑與土木工程學院，福建 廈門 361005)

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中承式鋼拱橋穩定性影響參數分析

李 雙 全

(廈門大學建筑與土木工程學院，福建 廈門 361005)

以某中承式鋼拱橋為研究對象，基于有限元穩定分析理論，采用大型有限元軟件ANSYS，對該拱橋的穩定安全系數進行了計算，并從荷載布置方式、拱肋抗彎剛度、主梁抗彎剛度、吊桿剛度等方面，分析了影響該拱橋穩定性的因素，得到了一些有價值的結論。

鋼拱橋，穩定性，有限元，安全系數

0 引言

中承式拱橋是一種常見的拱橋類型，單肋拱由于沒有橫撐的作用，橫向剛度小，容易發生面外失穩，所以對其進行穩定性研究是十分必要的[1，2]。本文采用線彈性有限元穩定分析理論[3，4]，以廈門市天圓大橋為背景，利用ANSYS有限元軟件[5]分析了該拱橋的穩定性，并分析了荷載布置方式、拱肋抗彎剛度、主梁抗彎剛度、吊桿剛度對該拱橋穩定性的影響。

1 穩定性分析

1.1 工程概況

廈門市天圓大橋結構形式為單肋中承式鋼拱橋，主跨的計算跨度為120 m，矢高為28.5 m，矢跨比為1/4.21。主梁為一單跨簡支梁，截面形式采用等截面帶翼緣的扁平鋼箱梁，梁高2.211 5 m，寬32.2 m，長127 m，壁厚0.01 m，主梁中間設置有橫隔板，整體剛度大。拱肋采用變截面矩形鋼箱加勁梁斷面，拱肋與拱座固接。拱腳拱肋截面寬3 m，高2 m，拱頂拱肋截面寬2 m，高1.3 m，拱肋截面壁厚為0.02 m。吊桿采用剛性吊桿，吊桿間距為6 m，吊桿與橋面之間以及吊桿與拱肋之間均為鉸接。車道數為六車道，鋼材取用GB/T 1591—94要求的低合金鋼Q345-C。

1.2 有限元模型的建立

拱肋和主梁均采用梁單元Beam189模擬，吊桿采用桿單元Link180模擬，橫隔板采用帶剛度和質量的質量單元Mass21模擬。為了車道荷載的布置，在主梁軸線上加橫向剛臂，平行于主梁軸線的方向上加車道荷載線，剛臂和車道線均采用梁單元Beam189模擬，且質量均不計，其中剛臂的彈性模量為2.1×105GPa，車道線的彈性模量為210 GPa，有限元模型見圖1。

1.3 特征值屈曲分析

在不同工況荷載作用下，計算拱橋的穩定安全系數與失穩模態。計算結果見表1。

表1 不同工況下的穩定安全系數與1階失穩模態

在恒載和全橋均布活載組合作用下，穩定安全系數從28.207降低到15.683，下降了44.4%。

在恒載和風荷載組合作用下，穩定安全系數從28.207降低到23.559，下降了16.48%。

2 穩定性參數分析

對拱橋進行主梁抗彎剛度、拱肋抗彎剛度、吊桿剛度的參數影響分析，選取10個不同的狀態，分別是從原設計值的0.2倍增加到2倍。結果如圖2～圖4所示。

當主梁抗彎剛度減小到原設計值的0.2倍時，面外穩定安全系數減小了4.05%，面內穩定安全系數減小了60.06%；當主梁抗彎剛度增加到原設計值的2倍時，面外穩定安全系數增加了2.9%,

面內穩定安全系數增加了30.7%。

當拱肋抗彎剛度減小到原設計值的0.2倍時，面內穩定安全系數減小了64.31%，面外穩定安全系數減小了76.73%；當拱肋抗彎剛度增加到原設計值的2倍時，面內穩定安全系數增加了19.68%，面外穩定安全系數增加了92.69%。

當吊桿剛度減小到原設計值的0.2倍時，面內穩定安全系數減小了7.66%，面外穩定安全系數增加了0.83%；當吊桿剛度增加到原設計值的2倍時，面內穩定安全系數增加了1.06%，面外穩定安全系數減小了0.1%。

3 結語

通過對廈門市天圓大橋進行穩定性分析，可以得到如下結論：

1)全橋均布活載的布載方式對結構的穩定性有很大的影響，且在全橋均布活載布置下，結構最容易發生面外失穩。風荷載對該拱橋橫向穩定性有一定的影響。該拱橋在有車道荷載組合的情況下，風荷載對結構穩定性的影響可以忽略不計。 2)主梁抗彎剛度對該拱橋面外穩定安全系數基本上沒有影響，面內穩定安全系數隨著主梁抗彎剛度的增大而增大。3)面外穩定安全系數與拱肋抗彎剛度之間基本呈線性增加的關系，面內穩定安全系數隨著拱肋抗彎剛度的增大而增大。4)吊桿剛度對面外穩定安全系數基本沒有影響，面內穩定安全系數隨著吊桿剛度的增加而增加，但增加幅度不大。

[1] 李國豪.橋梁結構穩定與振動[M].北京：中國鐵道出版社,1992.

[2] 項海帆,劉光棟.拱結構的穩定與振動[M].北京：人民交通出版社，1991.

[3] 項海帆.高等橋梁結構理論[M].北京：人民交通出版社，1991.

[4] 王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學出版社，2003.

[5] 張洪才,何 波.有限元分析——ANSYS13.0從入門到實戰[M].北京：機械工業出版社,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

李雙全(1989- )，男，在讀碩士

U441

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