大跨简支窄系杆拱桥稳定性能分析

第３３卷第３２期　２　０　０　７年１　１月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖｎ１．３３　Ｎｏ．３２　Ｎｏｖ．２００７　・３１５・　文章编号：１００９．６８２５（２００７）３２・０３１５—０２　大跨简支窄系杆拱桥稳定性能分析　罗摘玮虞建成　要：以某大跨简支窄系杆拱桥为例，建立了空间有限元模型，并对其进行了屈曲分析，同时研究了各部分构造对结构　稳定性能的影响，总结出一些有用的结论，为优化此类结构设计提供参考。　关键词：系杆拱桥，窄桥，稳定性能，风撑形式，吊杆刚度　中图分类号：Ｕ４４８．２２　文献标识码：Ａ　１　工程简介　某大桥主跨采用简支下承式系杆拱桥，为刚性系杆刚性拱，　３．１风撑形式和布置位置　风撑设置考虑以下五种方案：方案一为拱肋间不设风撑；方　桥长９６．６　ｍ，桥面宽８　ｍ。主拱拱轴线采用二次抛物线，每片拱　案二为拱顶设三道一字横撑，四分点处各设三道一字横撑，共九　肋设１９根刚性吊杆；全桥共有２１根横梁，中横梁采用Ｔ型截面，　道横撑；方案三为方案二中九道一字横撑均改为Ｋ撑；方案四将　端横梁采用箱形截面；桥面板采用普通钢筋混凝土实心板；两片　方案三中四分点处三道Ｋ撑向拱脚方向移动一个吊杆间距；方案　　拱肋间共设７道Ｋ撑。主拱肋为钢筋混凝土结构；系杆为预应力　五将方案三中四分点处三道Ｋ撑向拱顶方向移动一个吊杆间距。混凝土结构；吊杆为预应力钢管混凝土结构。　该桥采用先梁后拱的施工方法，系杆、横梁、拱肋均为搭支架　现浇，根据施工工序，分批张拉系杆内预应力束，刚性吊杆内预应　力束一次张拉到位。　各方案稳定安全系数计算结果见表１。　表１　不同方案对应的结构稳定安全系数　方案　Ｉ　—　Ｉ　二　｛　三　ｆ　四　稳定安全系数　Ｊ　２．１１２　ｌ　４　４８１　Ｊ　５　７１１　ｆ　５．９４３　第一阶失稳模态　『　面外侧倾　五　５．２６７　２屈曲分析　从方案一不设风撑到方案二布置九道一字横撑，结构的稳定　该桥宽跨比小于１／１２，对于这种大跨度小宽跨比系杆拱桥，　安全系数显著增加了１１２％，由此可见，设置风撑可以非常有效地　其空间稳定性能显得极为重要。根据该桥的施工方法，施工阶段　提高大跨窄桥的空间稳定性。Ｋ撑的使用可以提高角隅抗变形　结构的稳定性满足要求，文中只考虑运营阶段拱的稳定性。在建　能力，以及缩短侧向失稳时拱肋的自由长度，在拱肋四分点附近　立有限元模型的过程中，桥面系没有按实际情况输入，而是将桥　设置Ｋ撑，利用Ｋ撑侧向抗弯刚度大的特点，约束拱肋的相对错　面板和桥面铺装视为均布线荷载加在横梁上；拱肋、系杆、刚性吊　动；在拱顶设置Ｋ撑，能够拱肋的扭转变形，通过方案二与方　杆、横梁及风撑均按实际截面输入，采用空间梁单元；桥梁橡胶支　案三的比较可以看到，这些都对全桥整体稳定性的加强提供了很　座采用一般支承模拟。参考以往拱桥空间有限元的分析经验，遵　大的帮助。而从方案三、四、五之间的对比可以看出，Ｋ撑越靠近　循空间拱肋梁单元划分越精细，可以提高计算精度的原则，综合　拱脚布置，结构的稳定安全系数越高，最靠近拱脚处的Ｋ撑对于　考虑分析后，模型共有９９０个空间梁单元，有限元模型见图１。结　拱桥空间稳定性贡献最大。　构恒载由程序计入，活载按竖直荷载工况布置，拱肋、吊杆及系杆　均承受相应的风荷载。　另外，从表１也可以看出，各方案的一阶失稳模态都为面外　侧倾失稳，这是由于拱梁组合体系在面内由于拱和梁通过吊杆形　成桁架作用，所以面内刚度较大，其稳定问题主要为面外失稳【２１。　３．２端横梁刚度　通常以口值来判断结构的刚度大小（ｊ为对应于各坐标轴　的惯性矩），因此，改变结构的刚度可以通过改变截面的几何尺寸　和材料弹性模量这两种方法来实现。本桥端横梁截面为箱形，改　变截面几何尺寸相对比较麻烦，对相应截面特性要反复地进行计　图１　空间有限元模型　算，而改变材料弹性模量则在有限元程序中较为容易实现，且对　文中变化端横梁刚度时用改变材料弹性　全桥空间模型通过有限元程序对各荷载工况进行弹性屈曲　结果的分析也非常直观，　分析后得出，在恒载＋风荷载＋二队汽车全桥偏心布置的最不利　模量Ｅ的方法。设材料弹性模量取值分别为Ｅ＝０　ＧＰａ，１８　ＯＰａ，３６　ＧＰａ，５４　ＧＰａ。　荷载工况下，全桥一类稳定安全系数　＝５．７１１，一阶失稳模态为　面外侧倾失稳，满足稳定安全系数大于４～５的要求…１。　７２　ＧＰａ，９０　ＧＰａ，弹性模量为０　ＧＰａ时，由于出现零矩阵，尢法进　３影响结构稳定性若干因素的讨论分析　以下分析中每项都只改变当前计算项目的构造形式，结构其　行计算，因此在有限元程序中采取消除相应端横梁单元的方法来　实现零刚度。端横梁刚度不同时，相应的稳定系数如图２所示。　余部分并不同步变化，荷载工况均为恒载＋风荷载＋二队汽车全　从图２可以看出，端横梁刚度变化的效应并没有想象中的那　么显著，实际上该桥桥面系大量的内横梁、两片拱肋间的多道风撑　桥偏心布置，此时仅仅考虑结构稳定安全系数的绝对值问题，并　也起到了关键的横向连接作用。端横梁弹性模量Ｅ从０　ＧＰａ～　未考虑施工、经济等方面。　１８　ＧＰａ阶段，结构稳定安全系数的增长还相对明显，而在后续的　收稿日期：２００７—０６—０８　作者简介：罗玮（１９８２一），男，东南大学交通学院硕士研究生，江苏南京２１００９６　２１００９６　虞建成（１９６５一），男，博士，副教授，东南大学交通学院，江苏南京维普资讯 http://www.cqvip.com ・３１６・　第３３卷第３２期　２　０　０　７年１　１月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥ（ＴＦＵＲＥ　Ｖｏ１．３３　Ｎｏ．３２　Ｎｏｖ．　２００７　文章编号：１００９—６８２５（２００７）３２—０３１６—０３　西安地铁区间隧道通过地裂缝带的施工方案　７　６　５　４　３　２　ｌ　０　辍峨　刘晓文摘王璐王进峰　要：通过对西安地铁区间隧道通过地裂缝的特点分析，提出了几种地铁区间隧道通过地裂缝的方法，指出地铁结构　采用这些方法能够适应地裂缝的变形发展，并在地裂缝活动的情况下维持地面交通和地铁　正常运营。　关键词：地裂缝，地铁，施工方案　中图分类号：Ｕ４５５　文献标识码：Ａ　引言　场和应力场。它们使建筑物的地基和基础产生均匀或不均匀沉　拉裂和错开，从而引起上部建筑物裂开、错开和坍塌，造成地　地裂缝作为发育在黄土地区的一种主要城市地质灾害，其分　降、路基、管道变形或剪断。　布广泛，致灾情况严重，给当地的城市基础设施造成很大的破坏。　下洞室、由于地裂缝的不断活动，其对于裂缝周围的地质体而言是一种不　…‘０一…　‘一‘，●ｃ●…　’＞‘ｃ‘　‘ｃ　…）一　’０●　●　‘，●ｃ‘…●，●ｃ’）●，‘）‘：一０‘一…０●’‘　‘ｃ一，・ｔ　‘０一一・　对于地裂缝灾害的防治，单体建筑一般采用避让方法进行防　然而地铁区间隧道因其连续性而无法采用避让措施防治地裂　断的动力源，使得地裂缝周围的地质体发生位移，产生局部形变　治，端横梁刚度增加过程中，结构稳定性的增加非常小。如果假定端　取吊杆截面积为０．０８　ｍ　，纵桥向截面尺寸定为长，横桥向定　横梁的刚度为无穷大，即取Ｅ＝１×ｌＯｓ　ＧＰａ，结构的稳定系数也只　为宽，在面积不变的条件下，改变截面的长和宽，计算出相应的抗　比Ｅ＝３６　ＧＰａ时增大０．０５。可见，对于该结构而言，在具有较多　弯惯性矩和结构稳定安全系数，见表２。表２说明加强吊杆横桥　内横梁和风撑的情况下，增大端横梁刚度并不能非常有效地提高　向的刚度对于结构整体稳定性更为有利。因此，在布置吊杆时，　其稳定性能。　可以考虑采用横向双吊杆等构造形式来加强拱的横向刚度，从而　提高结构的整体稳定性。　表２吊杆纵横向刚度对稳定系数影响比较　宽／ｍ　０　１　长／ｍ　０　８　面积／ｎ１２　０．０８　横向Ｊ／ｍ　６　６７Ｅ一０５　纵向Ｊ／：ｍ４　４　２７Ｂ０３　稳定系数＾　４　９７５　０．１６　０　２　０．４　ｌ８　３６　５４　７２　９０　０　５　０　５　０　４　０　２　０　１６　０　０８　０　０８　０　０８　Ｏ．０８　１　７１Ｅ一０４　２　６７Ｅ一０４　１　０７Ｅ—Ｏ３　１　６７Ｅ一０３　１　６７Ｅ一０３　１　０７ＢＯ３　２　６７Ｅ一０４　１　７１Ｅ一０４　５．１２７　５　３９８　５．４１８　５．５５０　０　８　０．１　０．０８　４　２７Ｅ　０３　６．６７Ｅ一０５　５　７６４　图２　不同端横粱刚度时结构稳定安全系数　４结语　１）风撑的形式和布置位置对大跨简支窄系杆拱桥的空问稳　３．３　吊杆刚度　吊杆可分为柔性吊杆和刚性吊杆，该桥采用刚性吊杆，吊杆　定性有较大的影响，Ｋ撑是抗拱肋侧倾较佳的风撑形式，在满足　外钢管采用热轧无缝钢管，内套钢管，吊杆预应力筋由内钢管中　行车净空的前提下，应该尽量在靠近拱脚位置布置Ｋ撑。２）在具　通过，内、外钢管之间灌注细石混凝土，确保密实。　有较多较强内横梁及风撑的情况下，增大端横梁的刚度对于结构　吊杆考虑三种方案：１）选用ＰＥ护套的高强钢丝，即柔性吊　的稳定性影响不大。３）吊杆对于系杆拱桥的整体稳定性贡献较　杆，用只受拉单元模拟；２）采用半刚性吊杆，只考虑最外侧无缝钢　大，在条件允许的情况下，窄桥可优先考虑采用刚性吊杆；加大吊　管的刚度，用空间梁单元模拟；３）实桥所采用的刚性吊杆，同样用　杆横桥向刚度对整体稳定更为有利。　梁单元模拟。三种方案计算出的结构整体稳定系数分别为　参考文献：　４．８３１，５．２６８，５．７１１，表明增大吊杆刚度，有利于提高整个拱面的　［１］范立础．桥梁工程［Ｍ］．北京：人民交通出版社，１９８６．　刚度，对提高结构稳定安全系数有比较明显的效果。所以，从增　［２］陈宝春．钢管混凝土拱桥设计与施工［Ｍ］．北京：人民交通出　强拱桥侧向稳定性的角度看，采用刚性吊杆较好。　版社．１９９９．　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｉｍｐｌｙ　ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｎａｒｒｏｗ　ｔｉｅｄ－ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅ　ｗｉｔｈ　ｌｏｎｇ　ｓｐａｎ　ＬＵＯ　Ｗｅｉ　ＹＵ　Ｊｉａｎ－ｃｈｅｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ＰａＤｅｒ　８ｏｍｅ　ｓｉｍｐｌｙ　ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｎａｒｒｏｗ　ｔｉｅｄ—ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅ　ｗｉｔｈ　ｌｏｎｇ　ｓｐａｎ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｅｘａｍｐｌｅ，ａ　ｓｐａｃｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｂｕ　ｌｔ　ｔｏ　ａｎａ１ｖｚｅ　ｔｈｅ　ｂｕｃｋｌｉｎｇ　ｍｏｄａｌｉｔｙ　ｗｉｔｈ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｂｒｉｄｇｅ．Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｐａｃｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｒｅ　ｅｘｐｌｏｒｅｄ，ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｕｓｅｆｕｌ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ　ａｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｓｕｃｈ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．　Ｋｅｖ　ｗｏｒｄｓ：ｔｉｅｄ—ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅ，ｎａｒｒｏｗ　ｂｒｉｄｇｅ，ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｗｉｎｄ—ｓｕｐｐｏｒｔ　ｆｏｒｍ，ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ　ａｎｃｈｏｒ　ｒｉｇｉｄｉｔｙ　收稿日期：２００７—０５—３０　作者简介：刘晓文（１９８３一），女，西安科技大学建筑工程系硕士研究生，陕西西安王￣（１９８１一），女，西安科技大学建筑工程系硕士研究生，陕西西安王进峰（１９８１），男，西安科技大学建筑工程系硕士研究生，陕西西安７１００５４　７１００５４　７１００５４