劲性骨架混凝土拱桥拱肋吊装阶段稳定性分析

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

近年来，随着我国桥梁设计向大跨径方向发展的趋势，钢管混凝土劲性骨架拱桥成为了极富竞争力的桥型之一。钢管混凝土劲性骨架拱桥为内设钢管桁架结构，外包混凝土的一种结构，充分发挥了钢材和混凝土的作用。其中钢管劲性骨架结构一般采用缆索吊装法施工，拱肋节段依靠扣索力保持结构平衡，但是随着吊装施工的进行，这种平衡很容易在外力作用下发生改变，从而导致整个结构发生失稳破坏，因此其稳定性问题常常也成为制约钢管混凝土向大跨度发展的主要因素之一，本文将对一座在建劲性骨架混凝土拱桥拱肋吊装过程进行稳定性分析。

一、工程概况

某桥为一座跨径为200m的上承式钢筋混凝土拱桥，净矢高40m，拱轴线为悬链线，采用劲性骨架法施工，截面为单箱双室。设计荷载标准为公路-Ⅰ级，桥面宽度为12.0m，其立面布置图如图1所示。

图1 立面布置图(单位：m)

二、弹性稳定分析

桥梁结构的稳定性直接决定结构的极限承载能力和正常使用条件下的承载能力。稳定破坏是指结构内部的抵抗力与荷载之间发生了不稳定的平衡状态，导致结构的变形急剧增大发生破坏，故稳定问题属于结构或某个构件的变形问题。本文实际工程在稳定平衡状态，考虑到轴向力对弯曲变形的影响，根据势能驻值原理得到结构的平衡方程为：

([KE]+[KG]){U}={P}

式中：[KE]为结构的弹性刚度矩阵；[KG]为结构的几何刚度矩阵，也称为初应力刚度矩阵；{U}为节点位移向量；{P}为节点荷载向量。

上式是几何非线性分析的平衡方程，为了随遇平衡状态，应使系统势能的二阶变分为零，即：

([KE]+[KG]){δU}=0

因此必有：

|[KE]+[KG]|=0

可知：

([KE]+λi[KG]){φi}=0

式中，{φi}为与λi对应的特征向量，是相应该阶屈曲荷载时结构的变形形状，即屈曲模态或失稳模态。

三、拱肋吊装阶段稳定性分析

本文采用Midas Civil有限元仿真分析软件，建立有限元仿真分析模型，定义拱肋安装施工阶段，借助软件中屈曲分析模块，计算该桥拱肋安装过程中的稳定性安全系数。

(一)有限元模型建立

劲性骨架均采用梁单元模拟，临时扣索采用桁架单元模拟，外包混凝土采用板单元模拟。建立包括扣锚索、塔架、拱圈一体化的有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

(二)弹性稳定系数

桥梁工程中有关稳定系数的定义方式较多，本文中将稳定系数定义为：

屈曲荷载=屈曲系数λ×(可变荷载+恒载)

其中可变荷载主要为索力，恒载为自重，这种定义方式求得的稳定系数为最小的稳定系数，可以最大限度的了解结构的稳定性。劲性骨架节段吊装阶段弹性稳定安全系数如表1所示。

表1 弹性稳定安全系数

从表1可以看出，节段开始安装阶段稳定系数缓慢增大，到安装第4#节段时，稳定系数大幅减小，但安装第7#节段时，稳定系数增大到48.1，然后又逐渐减小，松索成拱后达到最小为11.1。虽然各阶段的稳定系数大于实际工程要求最低系数4.0，但是随着施工过程的进行，结构稳定性在不断发生变化，这与结构的重量，索力的大小等密切相关，同时也会不可避免的受到其它外部作用的干扰，因此在劲性骨架混凝土拱桥施工时，应在骨架合龙后及时浇筑外包混凝土，保证结构安全。

四、结语

通过对劲性骨架节段安装过程中稳定性分析表明随着拱肋节段的增多，结构稳定性处在一个动态的变化过程中，合龙后稳定性最低。在实际施工过程中，应当时刻监测吊装过程的稳定性，确保安全施工，保证大桥顺利建成。