張紅濤 高 遠(yuǎn)

(天津市市政工程設(shè)計研究院，天津 300051)

現(xiàn)代城市橋梁的功能已不僅僅局限于滿足通行要求，人們更加期望其能以獨特的造型及新穎的設(shè)計成為城市地標(biāo)性建筑來展示和拓展城市魅力。斜跨拱斜拉橋更以其別出心裁的設(shè)計和視覺沖擊，在城市橋梁建筑史上留下了濃墨的一筆。然而，作為異形結(jié)構(gòu)，該橋型的穩(wěn)定性能問題不容忽視，故本文結(jié)合工程實際對此加以探討。

1 工程概況

該橋為五跨對稱五拱非對稱索面斜拉橋，橋梁跨梁為(65+45+90+45+65)m，全長310 m。采用高度不等的5個鋼拱作為斜拉塔，拱軸線采用二次拋物線;主梁采用鋼箱梁;主梁與鋼拱之間設(shè)有拉索。拉索采用多股平行鋼絲成品索，各跨索距均為10 m。

橫斷面布置為:0.5 m(人行道欄桿)+4 m(人行道+非機(jī)動車道)+2.5 m(索區(qū) +邊防撞護(hù)欄)+14.5 m(車行道)+0.5 m(中央防撞護(hù)欄)+14.5 m(車行道)+2.5 m(索區(qū)+邊防撞護(hù)欄)+4 m(人行道+非機(jī)動車道)+0.5 m(人行道欄桿)，全寬43.5 m。

主梁采用整體箱梁斷面;拉索位于鋼主梁的下錨點，采用耳板+吊耳的形式;全橋共有5個鋼拱，對應(yīng)65 m，45 m，90 m跨徑布置中、小、大三種尺寸，拱截面為倒三角式六邊形，鋼拱軸線為二次拋物線。

2 穩(wěn)定分析

結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是指受外力作用，結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)開始喪失穩(wěn)定性，稍有擾動則變形迅速增大，最后使結(jié)構(gòu)遭到破壞。橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全及經(jīng)濟(jì)相關(guān)，它與強(qiáng)度問題同樣重要。穩(wěn)定問題可以分為兩大類:第一類是歐拉穩(wěn)定性問題，第二類是極值穩(wěn)定性問題。由于第一類穩(wěn)定問題是建立在小撓度理論基礎(chǔ)之上，為特征值問題，且它的解是第二類穩(wěn)定問題的極值點的上限，故本文對第一類穩(wěn)定進(jìn)行分析。

2.1 全橋空間有限元模型

全橋結(jié)構(gòu)整體計算分析采用橋梁結(jié)構(gòu)分析專業(yè)程序Midas/Civil，考慮拉索、主梁(包括主梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力)、拱塔共同作用，對全橋進(jìn)行所需的計算和分析。主梁、橋墩和橋塔模擬為空間梁單元，斜拉索為桁架單元。有限元分析模型見圖1。

圖1 有限元分析模型

2.2 成橋穩(wěn)定性能分析

成橋穩(wěn)定性能計算的荷載工況分為以下幾種工況:工況1:恒載+風(fēng)載;工況2:恒載+風(fēng)載+全橋滿布車載;工況3:恒載+風(fēng)載+半幅車道偏載;工況4:橫載+風(fēng)載+中小拱車道偏載。表1給出了四種工況下的一階穩(wěn)定系數(shù);圖2給出了在最不利荷載工況下的橋梁前五階失穩(wěn)模態(tài)。

表1 荷載工況下成橋穩(wěn)定系數(shù)

圖2 工況3橋梁失穩(wěn)模態(tài)

由計算結(jié)果可以得出以下結(jié)論:結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足規(guī)范穩(wěn)定系數(shù)不小于4的要求;偏載對該異性斜跨拱斜拉結(jié)構(gòu)影響較大;對稱布載反而對橋梁的穩(wěn)定性能有所提升;橋梁的一階失穩(wěn)模態(tài)皆為90 m主拱屈曲。由于在本橋承重體系中，拱及拉索發(fā)揮的作用較小，墩柱在結(jié)構(gòu)承載及穩(wěn)定性方面起著決定性的作用，才會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范要求;但這并不妨礙我們對該橋型的穩(wěn)定特性及其影響因素進(jìn)行歸納分析:首先，拱的穩(wěn)定對于全橋穩(wěn)定來說，是第一要素;其次，偏載對于反對稱結(jié)構(gòu)有著不容忽視的反作用。下面本文將對該橋型的漂浮體系及半漂浮體系給出相關(guān)穩(wěn)定性能分析。

2.3 不同斜拉橋體系下的成橋穩(wěn)定分析

1)漂浮體系下的成橋穩(wěn)定分析。

將結(jié)構(gòu)的邊界條件作出相應(yīng)的修正，可以給出無墩柱支撐狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定分析，四種工況下的一階穩(wěn)定系數(shù)如表2所示。

表2 漂浮體系成橋穩(wěn)定系數(shù)

工況2(恒載+風(fēng)載+全橋滿布車載)下一階屈曲模態(tài)如圖3所示。

圖3 工況2橋梁—階失穩(wěn)模態(tài)

2)半漂浮體系下的成橋穩(wěn)定分析。

在主梁與拱之間添加橫向約束，限制主梁的橫向位移，來模擬半漂浮體系下的穩(wěn)定分析，結(jié)果見表3。

表3 半漂浮體系成橋穩(wěn)定系數(shù)

上述計算表明，在漂浮及半漂浮體系下，橋梁結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)表現(xiàn)為主梁的橫向搖擺屈服，主梁質(zhì)量的增加對其搖擺效應(yīng)有著比較大的增幅，從而降低結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，偏載對結(jié)構(gòu)的影響與原設(shè)計中偏載的作用相左，可見不同的體系下，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素是在不斷變化的。

當(dāng)然，橋梁的整體設(shè)計并非單純滿足穩(wěn)定性要求，完整的橋梁設(shè)計需同時滿足受力、穩(wěn)定、抗震等一系列要求。

3 結(jié)語

本文通過對斜跨拱斜拉橋在不同體系、不同工況下的穩(wěn)定分析，給出了相關(guān)的穩(wěn)定影響因素分析，期許對將來的斜跨拱斜拉橋設(shè)計給予參考及幫助。

［1］李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［2］劉士林.斜拉橋設(shè)計［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［3］龔海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論［M］.北京:人民交通出版社，2001.