大跨度拱橋穩定性參數敏感性分析

陳 敏

（武漢光谷建設投資有限公司，湖北 武漢）

前言

隨著我國交通需要的增加和交通建設能力的提高，跨越江河峽谷的橋梁越來越普遍[1-2]。同時為減少對下穿河道的通航能力的影響，在水中設置橋墩的方案適用性越來越小，適用范圍也越來越窄。在眾多橋型中，拱橋作為一種跨越能力強、美觀性好的方案，無論是在山區高速還是城區市政道路上，都得到了廣泛的應用[3]。拱橋整體穩定性受上述各構件的性能影響，且各因素間存在耦合作用，分析較為復雜[1，4]。準確分析構件參數對整體穩定性的影響對類似拱橋的設計至關重要。

1 工程概況

某城市道路跨越長江，由于兩岸地質情況較好，道路標高距離設計水位較高，采用上承式拱橋方案，整體采用鋼結構。拱橋矢高比1/8，矢跨為110 m。分為拱肋、拱上橋墩、主梁、橋面西以及附屬結構等。初步設計階段橋梁結構尺寸為初步擬定，在施工圖階段，需要對結構尺寸具體擬定。因此需要對結構參數對整體穩定性能進行敏感性分析，以期獲取關鍵截面，從而在后續的設計中加強驗算，詳細分析。

2 有限元分析

采用通用有限元軟件Midas civil2021 建立結構三維有限元模型。采用梁單元模擬拱肋、拱上橋墩和主梁，全橋共有2 678 個節點，5 323 個單元。拱腳采用固結模擬，引橋段的橋墩墩底采用固結模擬。為減小拱上墩與拱肋結合處彎矩，采用鉸接連接。在有限元模型中采用共節點+釋放梁端約束的方式進行模擬鉸接。橋面主縱梁與拱上墩采用主從節點約束的方式進行模擬，見圖1。

圖1 上承式拱橋三維有限元模型

分析參數選取：對拱橋結構穩定性影響的參數較多。根據相關工程經驗、文獻檢索、以往失穩事故分析選取主縱梁截面高度，寬度，鋼板厚度，拱肋截面高度，寬度，鋼板厚度橋墩6 個參數進行失穩分析，采用單變量控制分析過程。

3 穩定性分析結果

在橫縱向均偏載的情況下，結構承受最大不均勻荷載，因此分析結構在偏載作用下的失穩特性，可以包絡結構的安全范圍[5]。該種工況下，結構所受荷載有自重、移動荷載、二期荷載、溫度作用。移動荷載根據規范按照跨徑長度確定集中力和均布力，自重系數取1.04，其中放大4%主要考慮螺栓和節點板質量。

采用特征值分析計算結構的穩定系數及失穩模態，結構的整體穩定性滿足設計規范，前三階均為拱肋面外失穩，前四階均為扭轉失穩。從結構設計角度看，提高拱肋的抗扭系數可提高結構穩定性。在參數分析時，應注意前兩階穩定系數較為接近，存在躍階的可能性，需要加以判別。

通過在有限元模型中修改主縱梁截面參數，調整截面高度，分析縱梁高度從初始設計值到兩倍初始值過程中結構的穩定性系數變化規律。分析對結果影響最大的前四階穩定系數，結果列表1 所示。

表1 主縱梁高度調整后結構穩定性系數

從表1 中可以看出，隨著主縱梁高度的不斷增加，結構的穩定性逐漸提升，但是與主縱梁高度增加非比例關系。主縱梁高度增加一倍后，前四階穩定性系數增加約7.5%～23.2%，不同階次穩定性系數提高幅度不同。

從表2 中可以看出，隨著主縱梁鋼板厚度的不斷增加，結構的穩定性提升明顯。主縱梁鋼板厚度增加一倍后，前四階穩定性系數增加約63.3%～89.7%，不同階次穩定性系數提高幅度相差較大。

表2 主縱梁鋼板厚度調整后結構穩定性系數

從表3 中可以看出，隨著拱肋截面高度的不斷增加，結構的穩定性逐漸提升，但與截面高度不成比例。拱肋截面高度增加一倍后，前四階穩定性系數增加約8.9%～26.5%，不同階次穩定性系數提高幅度相差較大。

表3 拱肋高度調整后結構穩定性系數及失穩模態

從表4 中可以看出，隨著拱肋鋼板厚度的不斷增加，結構的穩定性逐漸提升，相較于主縱梁高度，厚度增加對結構穩定性提升更為明顯。拱肋鋼板厚度增加一倍后，前四階穩定性系數增加約104.9%～139.9%，不同階次穩定性系數提高幅度相差較小。

表4 拱肋鋼板厚度調整后結構穩定性系數

4 結論

以某跨江上承式拱橋設計為依托，分析了拱橋的失穩模態，同時采用有限元軟件Midas civil 分析了拱橋在不同結構參數下失穩模態的變化情況，得出以下結論：

（1）在橋梁基本設計方案下，結構失穩模態以面外失穩為主，穩定性系數滿足設計規范要求。

（2）調整結構主要構件的尺寸和鋼板厚度可以改變結構的穩定性系數，但在前10 階失穩模態下，結構尺寸并不影響結構失穩模態。

（3）結構鋼板厚度調整時，結構穩定性系數變化較構件尺寸更為敏感，是結構設計時需要考慮的重點。