大跨度拱桥稳定性参数敏感性分析

陈 敏

（武汉光谷建设投资有限公司，湖北 武汉）

前言

随着我国交通需要的增加和交通建设能力的提高，跨越江河峡谷的桥梁越来越普遍[1-2]。同时为减少对下穿河道的通航能力的影响，在水中设置桥墩的方案适用性越来越小，适用范围也越来越窄。在众多桥型中，拱桥作为一种跨越能力强、美观性好的方案，无论是在山区高速还是城区市政道路上，都得到了广泛的应用[3]。拱桥整体稳定性受上述各构件的性能影响，且各因素间存在耦合作用，分析较为复杂[1，4]。准确分析构件参数对整体稳定性的影响对类似拱桥的设计至关重要。

1 工程概况

某城市道路跨越长江，由于两岸地质情况较好，道路标高距离设计水位较高，采用上承式拱桥方案，整体采用钢结构。拱桥矢高比1/8，矢跨为110 m。分为拱肋、拱上桥墩、主梁、桥面西以及附属结构等。初步设计阶段桥梁结构尺寸为初步拟定，在施工图阶段，需要对结构尺寸具体拟定。因此需要对结构参数对整体稳定性能进行敏感性分析，以期获取关键截面，从而在后续的设计中加强验算，详细分析。

2 有限元分析

采用通用有限元软件Midas civil2021 建立结构三维有限元模型。采用梁单元模拟拱肋、拱上桥墩和主梁，全桥共有2 678 个节点，5 323 个单元。拱脚采用固结模拟，引桥段的桥墩墩底采用固结模拟。为减小拱上墩与拱肋结合处弯矩，采用铰接连接。在有限元模型中采用共节点+释放梁端约束的方式进行模拟铰接。桥面主纵梁与拱上墩采用主从节点约束的方式进行模拟，见图1。

图1 上承式拱桥三维有限元模型

分析参数选取：对拱桥结构稳定性影响的参数较多。根据相关工程经验、文献检索、以往失稳事故分析选取主纵梁截面高度，宽度，钢板厚度，拱肋截面高度，宽度，钢板厚度桥墩6 个参数进行失稳分析，采用单变量控制分析过程。

3 稳定性分析结果

在横纵向均偏载的情况下，结构承受最大不均匀荷载，因此分析结构在偏载作用下的失稳特性，可以包络结构的安全范围[5]。该种工况下，结构所受荷载有自重、移动荷载、二期荷载、温度作用。移动荷载根据规范按照跨径长度确定集中力和均布力，自重系数取1.04，其中放大4%主要考虑螺栓和节点板质量。

采用特征值分析计算结构的稳定系数及失稳模态，结构的整体稳定性满足设计规范，前三阶均为拱肋面外失稳，前四阶均为扭转失稳。从结构设计角度看，提高拱肋的抗扭系数可提高结构稳定性。在参数分析时，应注意前两阶稳定系数较为接近，存在跃阶的可能性，需要加以判别。

通过在有限元模型中修改主纵梁截面参数，调整截面高度，分析纵梁高度从初始设计值到两倍初始值过程中结构的稳定性系数变化规律。分析对结果影响最大的前四阶稳定系数，结果列表1 所示。

表1 主纵梁高度调整后结构稳定性系数

从表1 中可以看出，随着主纵梁高度的不断增加，结构的稳定性逐渐提升，但是与主纵梁高度增加非比例关系。主纵梁高度增加一倍后，前四阶稳定性系数增加约7.5%～23.2%，不同阶次稳定性系数提高幅度不同。

从表2 中可以看出，随着主纵梁钢板厚度的不断增加，结构的稳定性提升明显。主纵梁钢板厚度增加一倍后，前四阶稳定性系数增加约63.3%～89.7%，不同阶次稳定性系数提高幅度相差较大。

表2 主纵梁钢板厚度调整后结构稳定性系数

从表3 中可以看出，随着拱肋截面高度的不断增加，结构的稳定性逐渐提升，但与截面高度不成比例。拱肋截面高度增加一倍后，前四阶稳定性系数增加约8.9%～26.5%，不同阶次稳定性系数提高幅度相差较大。

表3 拱肋高度调整后结构稳定性系数及失稳模态

从表4 中可以看出，随着拱肋钢板厚度的不断增加，结构的稳定性逐渐提升，相较于主纵梁高度，厚度增加对结构稳定性提升更为明显。拱肋钢板厚度增加一倍后，前四阶稳定性系数增加约104.9%～139.9%，不同阶次稳定性系数提高幅度相差较小。

表4 拱肋钢板厚度调整后结构稳定性系数

4 结论

以某跨江上承式拱桥设计为依托，分析了拱桥的失稳模态，同时采用有限元软件Midas civil 分析了拱桥在不同结构参数下失稳模态的变化情况，得出以下结论：

（1）在桥梁基本设计方案下，结构失稳模态以面外失稳为主，稳定性系数满足设计规范要求。

（2）调整结构主要构件的尺寸和钢板厚度可以改变结构的稳定性系数，但在前10 阶失稳模态下，结构尺寸并不影响结构失稳模态。

（3）结构钢板厚度调整时，结构稳定性系数变化较构件尺寸更为敏感，是结构设计时需要考虑的重点。