探討鋼管混凝土拱橋的穩定性及極限承載力

董鸝寧

摘 要：一直以來，在公路和城市橋梁的建設過程中，鋼管混凝土拱橋都因其具有造型優美、跨越能力大、工程造價低、以及維修養護費用少等顯著特點而被廣泛的應用。然而，鋼管混凝土拱橋也具有一定的局限性，尤其是應用于大跨度鋼管混凝土拱橋中時，由于其寬跨小，且剛度弱，所以非常容易出現不穩定現象，或超出極限承載力的現象。鑒于此，本文運用了有限單元法建立了相應的計算模型，以此為基礎，分析了鋼管混凝土拱橋的失穩模態和臨界荷載，以期為更好地設計鋼管混凝土拱橋貢獻一份力量。

關鍵詞：鋼管混凝土；拱橋；穩定性；極限承載力

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

0 前言

隨著科技的不斷發展和進步，尤其是計算機技術的發展，將其應用于橋梁結構工程中，不僅有助于縮減勞動力成本，而且還有助與提高效率和精確度。其中，有限元技術就是計算機應用于橋梁結構工程中的一種現代計算方法[1]。鋼管混凝土拱橋結構穩定性問題即結構失穩，主要是指其在外界干擾的影響下，導致結構變形、破壞，進而喪失承載能力的問題。從空間形態上可以分為面內失穩、和面外失穩；從性質上可以分為一類穩定（也稱分支點失穩）和二類穩定（也稱極值點失穩）。然而，無論是哪一類失穩問題，其所導致的危害都是非常嚴重的。同時，拱橋作為一種壓彎結構，其所能承受的極限承載力也是工程師最為關心的問題。鑒于此，本文從以下兩個方面進行了論述。

1 計算模型

1.1 研究對象

本文以某鋼管混凝土拱橋下承式系桿拱橋為研究對象，其主橋的計算跨徑為150m。拱肋主要是鋼管混凝土桁肋，橋面主要是以預應力鋼箱空心板組合為結構，橋墩所采用的則是鋼管混凝土土柱。

1.2 材料參數

鋼管混凝土拱橋所采用的材料參數為：①拱肋內砼（C50），彈性模量35GPa，泊松比0.167，材料密度2500kg/m3；②橋面板部分（C30），彈性模量30GPa，泊松比0.167，材料密度2500kg/m3；③吊桿部分，彈性模量195GPa，泊松比0.3，材料密度7800kg/m3；④鋼材部分，彈性模量210GPa，泊松比0.3，材料密度7800kg/m3。

1.3 計算模型

本文以通用大型有限元軟件ANSYS為基礎，建立計算模型。同時，采用空間梁單元模擬，對全橋進行建模，其中共有22185個單元，21164個節點。

2 結果分析工

一般而言，在實際施工的過程中，大部分的桿件所面臨的失穩問題都是二類穩定，也就是極值點失穩。因此，本文以靜力分析為基礎，探討了鋼管混凝土拱橋自重工況下的穩定性和滿載工況下的穩定性，進而分析鋼管混凝土拱橋的穩定性和極限承載力。

2.1 穩定性分析

由表1可知：在自重條件下，鋼管混凝土拱橋發生第一階失穩的條件是作用于拱橋的力達到自重的3.69倍，這將會導致拱肋左右搖擺，而此時的風撐能力能夠發揮較大的作用；第二階失穩的條件是作用于拱橋的力達到自重的6.20倍，這將會導致拱肋將呈現S曲線，而此時的風撐還未出現較大變形；第三階失穩的條件是作用于拱橋的力達到自重的7.09倍，此時S曲線有較大的變形，且明顯看出風撐的變形；第四階失穩的條件是作用于拱橋的力達到自重的8.90倍，此時拱肋將從一端的拱腳處同時向外拉開，且在較大變形的地方出現一字型風撐承受的拉力較大。

2.2 極限承載力分析

由表2可知：在滿載條件下，鋼管混凝土拱橋發生第一階失穩的條件是作用于拱橋的力達到滿載時的力的3.22倍，這將會導致鋼管混凝土拱肋左右搖擺，而此時的風撐能力能夠發揮較大的作用；第二階失穩的條件是作用于拱橋的力達到滿載時的力的5.23倍，這將會導致鋼管混凝土拱肋將呈現S曲線，而此時的風撐還未出現較大變形；第三階失穩的條件是作用于拱橋的力達到滿載時的力的5.98倍，此時鋼管混凝土拱肋出現雙S曲線，且發生有較大的變形，同時也已明顯能看出風撐變形；第四階失穩的條件是作用于拱橋的力達到滿載時的力的7.51倍，此時鋼管混凝土拱肋將從一端的拱腳處同時向外拉開，且在較大變形的地方出現一字型風撐承受的拉力較大。

3 結論

總之，鋼管混凝土拱橋以鋼管混凝土作為主拱承壓的主要結構材料，不僅能夠相對比較有效地解決拱橋材料高強化問題，還能夠有效地解決拱圈施工輕型化問題。因此鋼管混凝土拱橋應用的范圍也十分廣泛，如上承式拱橋、中承式拱橋、以及下承式拱橋等等。然而，在實際施工過程中，

鋼管混凝土拱橋穩定性不足主要是受到了拱肋矢跨比、拱肋剛度、以及荷載組合等等諸多因素的影響。因此，運用有限單元法探討鋼管混凝土拱橋的穩定性及極限承載力，進而總結出不同荷載下鋼管混凝土拱橋的失穩模態和極限承載力，希望能夠為鋼管混凝土拱橋在設計方面和施工方面提供科學合理的指導和幫助。

參考文獻：

[1]劉月亮.鋼管混凝土拱橋主拱穩定性研究[J].黑龍江科技信息，2017（08）：250-251.endprint