钢管混凝土系杆拱桥特点及稳定性探讨

摘要：对钢管混凝土系杆拱桥的特点进行了描述，对钢管混凝土系杆拱桥的设计和施工过程中不可忽略的因素――稳定性进行了归纳和总结，并且进一步对稳定性的影响因素进行了探讨。

关键词：钢管混凝土，系杆拱桥，稳定性

1 引言

钢管混凝土拱桥具有跨越能力强的特点，我国已建成的钢管混凝土拱桥有四川旺苍东河大桥、广东高明大桥、广州丫髻沙大桥等。其中跨径110m的四川旺苍东河大桥是我国第一座钢管混凝土拱桥，其结构形式为的下承式预应力钢管混凝土系杆拱桥[1]；跨径112.8m、全宽26m的佛陈大桥是我国同类结构中在跨度和宽度上均具有代表性的一座下承式预应力钢管混凝土系杆拱桥。

2 钢管混凝土系杆拱桥特点

钢管混凝土系杆拱桥兼有钢管混凝土结构和系杆拱桥的特点：作为钢管混凝土结构，因钢管内填充了混凝土，增加了钢管壁受压时的稳定性，而且钢管壁对混凝土起套箍作用， 使管内混凝土处于三向受压状态，充分发挥了混凝土的抗压强度、提高了混凝土的延性；作为系杆拱桥，系杆拱组合体系将拱肋的推力传给系杆，使体系成为外部静定、内部超静定的结构，系杆和拱肋均有一定的刚度，荷载引起的弯矩在系杆与拱肋之间按刚度分配， 它们共同承担体系的轴力和弯矩。

系杆拱桥主要分为有推力和无推力组合体系，无推力系杆拱桥能够较好地适应不良地层和具有较小的建筑高度，主要由拱助、吊杆、系杆(梁)三部份组成。根据上下部分结构的联接方式， 系杆拱又可分为两种， 一种是上下部之间刚接， 一种是简支，如图1所示[2]。

(a )简支形式

(b) 刚接形式

图1 系杆拱形式

3 稳定分析

由结构力学知识可知，拱桥以承受压力为主，拱肋的受力情况为承受一定的弯矩、扭矩和剪力。在对拱桥进行施工和运营时，若拱结构本身的刚度不足会发生失稳的情况，因此保证拱结构的稳定性是拱桥设计和施工需要考虑的一个不可忽略的因素。

钢管混凝土拱桥的失稳有两种性质不同的失稳形式：分支点失稳和极值点失稳。分支点失稳，其平衡路径有一突变尖点，失稳前平衡路径稳定，失稳后平衡路径可能不稳定，如理想无缺陷结构的失稳。对于极值点失稳，失稳前后无明显的突变，但存在一个最大荷载。当达到最大荷载后，进入不稳定状态，荷载迅速下降，发生大变形。如果结构有初始缺陷，则它的失稳属于极值点失稳[3]。

对应这两种失稳采用的分析方法：第一类为线弹性最小特征值屈曲问题， 用于确定一个理想弹性结构的理论屈曲强度；第二类为极值点问题，即考虑了结构几何非线性和材料非线性情况下的极限承载力问题。

第一类稳定问题在理论分析上和工程应用上都占有重要地位，这是由于第一类稳定问题力学概念较明确，可归结为在数学上的特征值问题，求解相对容易，并且第一类和第二类稳定问题有着良好的相关性， 往往代表着第二类稳定问题的上限， 所以工程中通常以第一类稳定问题的计算结果作为设计的依据。

由于拱会受到风荷载作用、施工过程中存在拱轴安装上的误差等原因，拱桥建造过程中的稳定问题属于第二类稳定问题。用荷载增量法求解非线性的有限元增量平衡方程，计算结构失稳的临界荷载，并且考虑了单根构件因荷载局部作用及初始缺陷等影响所造成的先期失稳现象，采用构件的极限承载压力予以解决，稳定分析中还计入了施工过程的应力与变形的叠加效应，并考虑了钢管混凝土的套箍效应和风荷载的横向作用[4]。桥梁结构的空间稳定性分析中，失稳模式分为面内失稳和面外失稳，按稳定性分析过程中结构的位移变化率判别[4]。

实际拱桥设计中，由于按第二类稳定问题分析拱的稳定性相当复杂，所以对中小跨度的拱桥多按第一类稳定理论验算拱桥的稳定性。单拱面系杆拱桥吊杆、系杆(梁) 与拱肋共同作用，必须计算其第二类稳定性。钢管混凝土系杆拱桥的失稳主要发生在施工阶段，主要危险是第一类稳定问题，拱的最终压溃倒塌通常是在屈曲或侧倾以后发生。

拱桥结构的稳定性，通过保证稳定安全系数来进行，其表达式为：

其中，Pd为某阶段施工前已施加于结构的外荷载；Pc为某施工阶段作用的外荷载； 为结构失稳时所加荷载的倍数。

现有《公路桥涵设计通用规范》[5]中有关拱的计算及稳定性分析资料都是基于裸拱的分析结果。而对系杆拱桥吊杆刚度密度的计算并未说明，因此在设计过程中，对此应引起注意。

4 影响稳定的因素

拱桥稳定性的影响因素中，起较大影响作用的因素为拱肋自身刚度、横撑形式、拱肋侧倾角。

横向风撑的布置形式和风撑的刚度均会影响到拱的整体稳定性，其中风撑的布置形式对拱桥的横向稳定性影响更大。一般采用X 型或者K 型风撑可以提供较大的剪切刚度， 效果比较理想。对于中小跨径系杆拱桥来说， 采用一字型横向风撑即可满足刚度要求。当桥梁跨径较小时， 往往不设置横向风撑。从风撑刚度角度考虑， 在拱肋切平面的抗弯刚度对临界荷载的影响最为显著。风撑刚度的提高主要是具有增加对于拱肋自身转动的约束效果而增加拱桥的整体稳定性。但是随着拱肋间距的增大， 尤其当桥梁宽跨比较大时， 增加风撑刚度对整体稳定性的提高作用会逐渐削弱而变得不太经济， 此时以适当增加风撑数量比较合理。

5 结语

本文对钢管混凝土系杆拱桥的特点和稳定性进行了探讨，并总结列出了对拱桥的稳定性会造成较大影响的主要因素，供同类桥梁设计时作为参考之用。

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