李學(xué)治

摘 要：對于橋梁三維空間結(jié)構(gòu)體系，特別是大跨徑的橋梁，其穩(wěn)定性變的越來越重要，已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)計算重要因素之一；通常穩(wěn)定性問題分為兩類，第一類穩(wěn)定性問題歸結(jié)為求解特征值問題，第二類穩(wěn)定性歸結(jié)為極限承載力問題，其與實(shí)際結(jié)構(gòu)比較吻合；通過有限元理論計算實(shí)現(xiàn)求解極限承載力。并分析了曲線梁橋平面位移的機(jī)理，探討了影響平面位移的主要因素，并結(jié)合工程實(shí)例對影響因素進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：曲線梁橋；穩(wěn)定；橫向爬移；溫度效應(yīng)；有限元

是橋梁工程中經(jīng)常遇到力學(xué)中的穩(wěn)定問題，與其強(qiáng)度問題有著同等重要的意義。隨著橋梁跨徑的不斷增大，橋墩的高聳化、箱梁薄壁化以及高強(qiáng)材料的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)整體和局部的剛度下降，使得穩(wěn)定問題顯得比以往更為重要。

幾乎所有的橋梁工程中的穩(wěn)定問題都應(yīng)屬于極值點(diǎn)失穩(wěn)問題，在橋梁設(shè)計中，采用極限承載力設(shè)計，極限承載力是從“極限設(shè)計”的思想中引出的概念，而傳統(tǒng)的“強(qiáng)度設(shè)計”以構(gòu)件最大工作應(yīng)力乘以安全系數(shù)等于材料的屈服應(yīng)力為依據(jù)。

連續(xù)曲線梁橋在使用過程中，由于預(yù)加力、溫度效應(yīng)、車輛行駛或一些其他影響因素的作用，會產(chǎn)生側(cè)向的變位。由于曲線梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、支承形式等原因，當(dāng)外荷載等影響因素消失后，彎梁發(fā)生的側(cè)向變位并不能夠完全恢復(fù)，會產(chǎn)生部分不可恢復(fù)的殘余位移，在長期反復(fù)作用下，側(cè)向的殘余位移就會累積，產(chǎn)生較大的位移。曲線梁橋的側(cè)向位移問題輕則導(dǎo)致梁段伸縮縫的剪切破壞，影響其使用壽命；嚴(yán)重的則會出現(xiàn)支承結(jié)構(gòu)破壞，梁體滑移和翻轉(zhuǎn)。

一、影響曲線梁橋平面位移的因素

（一）支承方式。支承方式是影響曲線梁橋平面位移的內(nèi)在因素，支承方式直接影響全橋的內(nèi)力分布，合理的支承方式可以承受自重和活載、偏載等因素所產(chǎn)生的組合扭矩作用，限制結(jié)構(gòu)的平面位移。曲線梁橋可以采用多種支承布置形式。理論上講，連續(xù)曲線梁橋的所有支承均可采用點(diǎn)鉸支承，但在荷載作用下梁端將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，從而在梁端與橋臺背墻間產(chǎn)生上下相對變形，這會導(dǎo)致伸縮縫破壞。一般在兩端的橋臺設(shè)置能抵抗外扭矩的抗扭支座，中間支承可以采用抗扭支承，或點(diǎn)鉸支承，或者交替使用兩種支承形式，從而限制梁端的扭轉(zhuǎn)變形，以保證伸縮縫正常工作。

主梁在各種荷載作用下，除了梁端扭轉(zhuǎn)變形外，在支座位置處還會產(chǎn)生縱橋向與橫橋向的變位，為了保證結(jié)構(gòu)的正常工作，總希望沿著“切線方向”移動。為此，除了在橋臺處設(shè)置抗扭支座外，還必須采取一些“限制措施”，一般可以在活動端的定向切線支座上安置“限制位移方向”的措施，以保證橋頭的位移能符合“切線方向”的運(yùn)動要求，但在設(shè)計計算時，必須計及這個“強(qiáng)制力”的影響。根據(jù)具體橋型，充分考慮各種因素，設(shè)置合理的支承方式，就可以使曲線梁橋的平面變形順著目標(biāo)方向進(jìn)行，阻止非正常變位的發(fā)生。

（四）預(yù)應(yīng)力影響。曲線梁橋的預(yù)應(yīng)力鋼束不僅有平面彎曲同時還有沿梁高度方向的豎向彎曲，這樣預(yù)應(yīng)力鋼束徑向力的作用點(diǎn)總是沿梁高度方向在變化。當(dāng)其作用點(diǎn)位于主梁截面剪切中心以上或以下時，鋼束徑向力就會對主梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)作用（見圖3），位于截面剪切中心以上的鋼束徑向力產(chǎn)生的扭矩方向與位于截面剪切中心以下的鋼束徑向力產(chǎn)生的扭矩方向是相反的。兩者的扭矩之和構(gòu)成了預(yù)應(yīng)力鋼束對曲線梁的整體扭轉(zhuǎn)作用。當(dāng)MT上大于MT下時，主梁就產(chǎn)生向圓心方向的扭轉(zhuǎn)，反之主梁則產(chǎn)生背離圓心方向的扭轉(zhuǎn)。這樣預(yù)應(yīng)力鋼束就會引起曲線梁向內(nèi)偏轉(zhuǎn)或向外偏轉(zhuǎn)的情況。預(yù)應(yīng)力混凝土曲線梁往往產(chǎn)生向外偏轉(zhuǎn)的情況，這是其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)造成的。任何橋梁的主梁都是以受彎為主的構(gòu)件，所以預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)首先滿足縱向彎矩的受力要求。對于連續(xù)梁，正彎矩區(qū)段的長度遠(yuǎn)大于負(fù)彎矩區(qū)段的長度，所以相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力鋼束重心位于主梁底部的長度遠(yuǎn)大于位于主梁頂部的長度。這使得預(yù)應(yīng)力徑向力產(chǎn)生的MT上大于MT下，所以預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的總扭矩是向曲線外側(cè)翻轉(zhuǎn)的，相應(yīng)地彎箱梁內(nèi)側(cè)支座將會產(chǎn)生拉反力，外側(cè)支座成壓反力狀態(tài)。

預(yù)應(yīng)力引起的位移是沿著結(jié)構(gòu)切線方向的，與橋梁支座與伸縮縫的設(shè)置是不矛盾的。但預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的總扭矩是向曲線外側(cè)翻轉(zhuǎn)的，相應(yīng)地彎箱梁內(nèi)側(cè)支座將會產(chǎn)生拉反力，外側(cè)支座成壓反力狀態(tài)。這對曲線梁橋的平面變位是不利的，在與其他荷載共同作用時，將加速橋梁的橫向變位。

二、有限元分析

橋梁結(jié)構(gòu)極限承載能力的實(shí)質(zhì)就是第二類穩(wěn)定問題極值點(diǎn)判定，對于極值點(diǎn)問題通常采用有限元理論分析，通過求解計入幾何非線性和材料非線性對結(jié)構(gòu)剛度矩陣的影響，根據(jù)平衡方程，尋找其極限荷載的過程，結(jié)構(gòu)在不斷增加的外載作用下，結(jié)構(gòu)剛度不斷發(fā)生變化，當(dāng)外載產(chǎn)生的壓應(yīng)力或剪應(yīng)力使得結(jié)構(gòu)剛度矩陣趨于奇異時，結(jié)構(gòu)承載能力就達(dá)到了極限，此時的外荷載即為結(jié)構(gòu)的極限荷載。

三、結(jié)論

目前較多采用有限元理論進(jìn)行分析橋梁結(jié)構(gòu)的極限承載力和判定穩(wěn)定性，可用其進(jìn)行極限設(shè)計，也可了解其結(jié)構(gòu)破壞的形式，較為準(zhǔn)確地了解結(jié)構(gòu)在已知荷載下的狀況，為結(jié)構(gòu)安全施工和正常使用提供較為可靠的依據(jù)。 曲線梁橋會在平面內(nèi)出現(xiàn)橫橋向位移，這種位移是由于在荷載的反復(fù)作用下，主梁的橫向變位不能夠完全、及時地恢復(fù)，隨著時間的延長而發(fā)生累積。梁體在外界因素的影響下，發(fā)生橫向向外側(cè)的扭轉(zhuǎn)變形，梁體的扭轉(zhuǎn)變形又使得梁體的部分支座出現(xiàn)脫空，一旦支座脫空，梁體會失去抗扭約束，繼而扭轉(zhuǎn)變形加劇。設(shè)置合理的支承方式是限制梁體平面位移的內(nèi)在因素，也是最關(guān)鍵的因素。溫度荷載、預(yù)應(yīng)力、收縮徐變、汽車荷載（離心力和制動力）等是影響曲線梁橋平面位移的外在因素，在設(shè)計時必須充分考慮。

參考文獻(xiàn)：

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