公路钢桁桥稳定性影响因素分析

吴 坚（浙江省义乌市公路管理段，浙江 义乌322000）

1 前言

钢桁桥由于采用高强度的材料而且易于加工，因此构件重量轻，运输、架设方便，是大跨径桥梁的理想材料，目前各类体系桥梁中，其最大跨径的桥梁皆为钢桥。在要求工期短，施工干扰小的桥梁中，钢桥也是很好的选择。钢桥的主要优点是：可以实现完全工业化的制造和拼装;上、下部结构可以同时施工，能够加快施工进度;由于钢材具有匀质性、构件轻的特点，用悬臂法施工比较方便;可以较方便的跨越大跨，节省施工时间和费用。钢桁桥除了具有钢桥s 的优点之外还有其自身独特的优点：可以上、下双层通车，能够满足公、铁两用及大交通量的需求;构件预制拼装速度快，经济效益显著等。

桥梁结构的稳定性是关系其安全与经济的主要问题之一，它与强度问题具有同等重要的意义。由于大跨度桥梁日益广泛地采用高强材料和薄壁结构，稳定问题显得更为重要。

桥梁结构的失稳现象可以分为以下几类：

(1)个别构件的失稳，例如压杆的失稳和梁的侧倾;

(2)部分结构或整个结构的失稳;

(3)构件的局部失稳，而局部失稳常常会导致整个结构体系的失稳。

严格来说，任何理想弹性构件或结构体系存在受压区时都存在失稳的可能性。但是，钢结构的稳定问题表现得远比钢筋混凝土结构突出，这有两个原因：

首先，依据强度来设计钢结构和混凝土结构时，在相同边界条件和荷载作用下，钢结构构件的截面尺寸要小于钢筋混凝土构件的截面尺寸，抵抗失稳的能力要小于混凝土结构。

其次，由于钢结构构件主要由板材构成，宽而薄的板材是很容易发生局部失稳的，而钢筋混凝土构件则主要是实心截面，不存在局部稳定问题。

世界上曾经有过不少桥梁因失稳而丧失承载能力的事故，我国的浙江宁波招宝山斜拉桥在1998 年9 月，也发生过施工时主梁断裂的事故，其中一个主要原因就是箱梁的底板过薄，在施工荷载作用下主梁被压溃。由此可见，分析桥梁结构的稳定性，对于整个桥梁的建设具有重大的意义。

2 钢桁桥的主要架设方法

在实际的钢析梁架设过程中，仅仅采用一种简单的施工方法是很少见的，大多数钢桁桥梁的架设至少同时采用2 种或2 种以上的施工方法。并且在施工工艺上进行了更符合实际情况的创新与改进，进而使得社会、经济效益显著。

目前钢桁桥主要的架设方法主要有悬臂施工法、半浮半拖施工法、浮运膺架法等，下面详细介绍这三种施工方法在钢桁桥中的应用。

2.1 悬臂施工法

近几十年来，国内外许多特大桥都采用了悬臂施工法进行建设。随着钢桥结构的发展，悬臂拼装工艺也正在逐步完善。为了减少析架内力和伸臂端挠度，一般在伸臂前方桥墩处伸出支撑托架或者临时支撑，当伸臂接近前方桥墩时，提前得到支撑。悬臂施工法在钢梁桥的架设过程中工艺逐步完善，是一种很有效的施工方法，在大跨多跨桥梁的架设中经常应用。

2.2 半浮半拖施工法

半浮半拖的架设方法是取浮运施工法和纵向拖拉施工法2 种施工方法的优点，根据工程实际情况，经过变通的行之有效的施工方法。半浮半拖施工法是在浮船上建立临时支墩，用卷扬机和导链牵引拖拉架梁，主要适合水深速缓、通航情况一般的情形，并且可以避免钢梁悬臂太长。与拖拉架设法相比，浮拖架设法增加了1 个浮墩，容易控制挠度和应力的变化，并且能够保证钢梁的稳定性，浮拖所用的器材易拼装、易控制、占用河道面积小、时间短、操作起来安全便捷。

2.3 浮运膺架法

浮运鹰架法是指在浮船上拼组膺架梁，拼组完成后，利用潮水高涨期，使用浮船将膺架梁浮运至待架钢梁位置，待落潮时将膺架梁落于支墩上，最后将浮船拖出。膺架梁架设就位后，在其上架设钢梁和施工平台，并进行钢析梁的拼装。钢梁拼装完毕，用油压千斤顶在钢梁端部将钢梁均匀水平顶起，然后拆除膺架上节点处支墩。在低潮时将浮船拖至膺架下面，利用涨潮将其整体托起，再拖出移至下一孔钢析梁处进行拼装架设。采用整体浮运膺架法架设多孔钢析梁，膺架采用制式器材，一次拼装就位，多次浮运架设，避免多次拆装。新长铁路长江轮渡北岸栈桥5 孔48m下承式栓焊钢析梁即采用浮运膺架法架设。浮运膺架法架设钢析梁，具有安全、方便、快速等特点，为在大江大河架设此类桥梁提供了一种新方法。

3 公路钢桁桥稳定性影响因素分析

3.1 横向风荷载对稳定系数的影响

根据桥梁所在地环境，参照《公路桥梁抗风设计规范》，计算下弦杆、上弦杆和加劲弦承受的横向风力荷载如下：下弦杆：FH=8.04kN/m， 上 弦 杆：FH=13.74kN/m， 立 柱 和 加 劲 弦：FH=6.44kN/m，考虑横向风荷载和弯扭藕合作用，计算大桥各个施工阶段的稳定系数如表1 示：

由表1 可以看出，横向风荷载对体系转换、横纵向内力调整稳定安全系数影响较大，对于吊装桥面板和成桥工况的稳定系数影响较小。

表1 稳定系数表

表2 稳定系数表

表3 稳定系数表

表4 稳定系数表

表5 稳定系数表

表6 稳定系数表

表7 稳定系数表

3.2 桥面系刚度对稳定系数的影响

3.2.1 横梁刚度对稳定系数的影响

对于三析或三析以上的大跨双层宽桥面系桥梁结构，桥梁纵向刚度较大，横向刚度较弱，横梁刚度的大小将会影响桥梁结构的稳定性，本节考 虑 横 梁 刚 度 折 减5%、10%、15%、20% 和 刚度 增 加5%、10%、巧%、20% 六 种 不 同 情 况，研究横梁刚度对最大悬臂工况和成桥工况结构稳定系数的影响。本次计算考虑轴向力的影响计算的大桥稳定系数如表2 所示。

可以看出，稳定系数随着横梁刚度的变化而不断变化，在最大悬臂工况下，稳定系数线形变化。而对于成桥工况，横梁刚度对其稳定系数影响较小。考虑弯扭祸合作用，横梁刚度变化对大桥稳定性的影响如表3 所示。

由表3 可以看出考虑弯扭祸合作用之后，横梁刚度提高20%对最大悬臂工况稳定安全系数影响不够显著，对成桥工况影响也较小。

3.2.2 平联刚度对稳定系数的影响

随着悬臂施工的进行，主析横梁所受的轴向力变大，横梁稳定问题变的十分突出，在施工过程中纵梁不参与受力，横梁仅靠平联作为侧向支撑。本节研究平联刚度对结构稳定系数的影响，分别考虑平联刚度折减5%、10%、15%、20%、 刚 度 增 加5%、10%、15%、20%。 本 次计算仅考虑轴向力影响的平联刚度变化，稳定系数的变化如表4 所示。

可以看出，在施工工程中随着平联刚度的增大，稳定系数是成线形减小的，而平联刚度对成桥阶段稳定系数影响较小。

考虑弯扭藕合作用，计算最大悬臂工况和成桥工况大桥稳定系数的变化如表5 所示。

3.2.3 桥面板刚度对稳定系数的影响

大桥成桥之后桥面板与纵横梁固结，桥面板提供了很大刚度，本节将桥面板刚度进行分别折 减5%、10%、15%、20%、 刚 度 增 加5%、10%、15%、20%，研究桥面板刚度对稳定系数的影响。通过施工阶段稳定系数计算可以看出仅考虑轴向力和考虑弯扭祸合对成桥阶段稳定系数没有影响，因此本次计算仅考虑轴向力影响。桥面板刚度变化后稳定系数的变化如表6 所示。

3.3 纵横梁连接方式对稳定系数的影响

3.3.1 纵梁是否参与受力对稳定系数的影响

按照传统的钢析架梁桥施工方法，随着主析架悬臂架设，纵梁、平纵联与平行弦、横梁同步连接并上足高强度螺栓。对于东江大桥而言此种方法并不适用，东江大桥采用边跨支架中跨悬拼的方式，如果采用此种施工方法，随着悬臂施工的进展，主析架自重增加，下挠变形逐渐增大，由于纵梁的存在，横梁会产生水平弯曲，弯曲变形又使得纵受到轴力而参与主析架的共同受力变形。为了减小施工过程中纵梁与主析的共同受力，安装时纵梁与横梁连接的螺栓不施拧，待桥面板吊装完成后再进行终拧。在悬臂施工阶段为了防止纵梁对横梁产生面外弯矩，纵梁与横梁的连接采用了长圆孔，纵梁对横梁不产生轴向力，以达到纵梁不参与主析受力分配的目的。本小节对纵梁是否参与受力对结构稳定安全系数进行了分析计算，纵梁参与受力时结构稳定安全系数如表7所示。

可以看出纵梁参与受力之后结构施工过程中的稳定安全系数大大提高，反过来讲，纵梁不参与受力虽然使得横梁所受弯曲应力减小，但对施工过程中横梁的稳定却是不利的。

3.3.2 横梁与主析连接方式对稳定系数的影响

本小节考虑横梁与主析连接方式对稳定系数的影响，采用横梁与主析铰接有限元模型，计算施工过程中大桥的稳定安全系数如表8 所示，此次计算考虑弯扭祸合作用。

表8 稳定系数表

4 结 语

(l)计算了考虑横向风荷载作用下的结构稳定安全系数并与不考虑横向风荷载情况进行了对比，分析了各施工阶段的稳定系数与失稳模态的变化情况。发现横向风荷载对稳定安全系数的影响主要体现在最大悬臂、体系转换、纵向内力调整等施工工况，在施工过程中，这几个工况下的稳定系数都变小，在中跨顶升、吊装桥面板以及成桥工况下，桥梁整体刚度增强较大，风荷载的影响比较小。

(2)计算并分析了横梁刚度对最大悬臂工况和成桥工况稳定安全系数的影响，结果表明横梁刚度变化对仅考虑轴向力影响情况下稳定安全系数影响显著，呈现线形变化。对考虑弯扭藕合作用，虽然总体变化趋势也成线形变化，但没有前者明显。横梁刚度对成桥工况下稳定安全系数影响较小。

(3)计算并分析了平联刚度变化对最大悬臂工况和成桥工况稳定安全系数的影响，结果表明随着平联刚度的增大，结构稳定安全系数反而降低。计算分析了桥面板刚度对成桥工况下稳定系数的影响，结果表明桥面板稳定安全系数随着桥面板刚度的变化线形变化。

(4)计算分析了纵梁是否参与受力对各个施工工况稳定安全系数的影响，结果表明纵梁参与受力对结构稳定安全系数影响显著，稳定安全系数提高明显。

(5)计算分析了横梁与主析连接刚度对各个施工工况稳定安全系数的影响，结果表明横梁与主析刚接模型较横梁与主析铰接模型稳定安全系数更高。

本文对公路钢桁桥施工过程进行了稳定性研究，主要研究了横向风荷载、横梁刚度、平联刚度、桥面板刚度、纵横梁连接方式、横梁与主析连接方式等对钢桁桥稳定性产生影响的因素，得出了一些结论，这些结论对于日后钢桁桥的施工工程具有借鉴价值。

目前对公路钢桁桥施工过程稳定性的研究还比较少，对钢桁桥施工稳定性的研究绝大部分基于空间梁单元模型，而梁单元有限元模型对钢桁桥连接节点刚度的模拟不够准确，因此基于实体有限元模型的分析方法应该继续探索。

[1]李国豪.桥梁结构稳定与振动(修订版)[M].北京：中国铁道出版社，2003

[2]陈骥.钢结构稳定理论与设计(第三版)[M].北京：科学出版社，2003

[3]万明坤.关于钢析梁纵联与横联计算中的一些问题[J].铁道标准设计.1979-7