非保向力对钢管混凝土拱桥稳定性的影响分析
非线性稳定对大跨径钢管混凝土肋拱桥的影响
非线 性 稳 定 对大 跨 径 钢 管混 凝 土 肋 拱桥 的 影 响
王 荣
摘
刘 湘 江
要： 以实桥为例 ， 立空间分析 的有 限元模 型， 建 研究非线性稳定对钢管混凝土劲性骨架肋拱桥的稳定性影响， 出了 得
材料非线性对结构稳定 性影响很 大的结论 ， 出对于大跨径桥梁来说进行稳定分析 时， 指 必须考 虑非线性的影 响。
肋 为等厚度 的悬链线 拱 ， 以钢管混凝 土形成劲性骨架 ， 现浇施工 。 为跨径 １ ． 的钢筋混凝土空心板 。 ２ ５ｍ 成拱后 ， 圈为钢管与混凝土 的组 合截面 ， 拱 可简化 为梁单元 ，
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
钢管混凝 土劲性骨架肋拱桥 由于在 骨架 制造、 运输 以及安装 设计 的理想拱轴 线 ， 即拱肋 在平面 内、 外均存在初始挠度 ， 在结构
大加强 了对实际工程 的设 计计算 能力 。有 限元 法即是 其 中较 为
常用的一种 ， 对于拱 系结 构 有 限元 法 的研究 已有 很 多方 面 的成
果 。但 是 ， 于钢管混 凝土拱 桥这种新 型拱桥来 说 ， 对 这种方 法 的
应用还有待 于进一步 的发展和完善 。 用有 限元法 进行 结构分析 的主要思路是 ： 把结构划 分为一系 列离散单元 ， 进行单 元分 析 ， 使每个 单元都 满 足平衡条 件 和变形 协调条件 ； 再将所有被 离散 的单元集合起来 ， 进行结构整 体分 析 ， 从而实现对结构 的分析计算 。
关键 词 ： 跨 径 ， 管 混凝 土 ， 拱 桥 ， 限元 ， 定 性 大 钢 肋 有 稳
中图分类号 ： ４ ８ ２ Ｕ ４ ．２
文献标识码 ： Ａ
随着计算机技术 的应 用、 及 ， 普 在桥 梁工程 计算 中 已广 泛使
系杆拱桥的稳定性分析
系杆拱桥的稳定性分析摘要：介绍钢管混凝土拱桥一类稳定问题，以一座计算跨径为80.6 m的系杆拱桥为研究对象，建立空间有限元模型，对结构进行屈曲分析，计算出各几何参数对体系一类稳定影响，总结出一般性结论，为优化结构设计提供依据。
关键字：拱桥；几何参数；稳定分析；有限元法0 引言桥梁结构的失稳现象表现为结构的整体失稳或局部失稳。
结构稳定问题的两种形式：第一类稳定，分支点失问题；第二类稳定，极值点失稳问题。
第一类稳定分析，是指如果拱所承受的荷载达到一定的临界值时，拱的平衡状态会丧失稳定性，这是由于拱的平衡状态出现了分支，使原来的平衡状态失去了稳定性转向新的平衡状态。
第二类稳定分析，对于大跨度拱桥，由于其宽跨比相对较小，相对刚度较弱，在外界因素作用下结构的内力除了轴向力外，弯矩，扭矩所占的比重比较大，结构的变形为非线性状态，结构的受力性能由弹性状态进入非弹性状态，从而使得结构发生压溃破丧失了结构的稳定承载力，这种现象称之为拱的承载能力破坏(即第二类失稳破坏)。
1 稳定分析有限元原理根据空间梁单元的应变能以及利用极值条件，可以得到空间梁单元的刚度方程为：式中：是空间梁单元的弹性刚度矩阵；是空间梁单元的几何刚度矩阵。
设增大入倍, 则杆力和几何刚度矩阵也增大入倍, 因而可以写出下式：如果入足够大, 使得结构达到随遇平衡状态，即当变为, 上列平衡方程也能满足；则同时满足上面两式的条件是：这就是计算稳定安全系数的特征方程，求出的最小特征值就是最小的稳定安全系数。
2 稳定性计算及分析2.1工程算例及计算模型的建立本文以某下承式钢管混凝土系杆拱桥为研究对象，分析几何设计参数对其稳定性的影响。
主桥采用上下行分离、下承式钢管混凝土系杆拱，计算跨径L=80.6m，拱轴线为二次抛物线，矢跨比为1/5，矢高f＝16.12m。
系梁采用变截面矩形断面，跨中梁高1.8m，支点梁高2.4m，梁宽1.4m。
横梁为预应力混凝土结构，端横梁高1.80 m，宽1.30 m，中横梁高1.57 m，宽1.30m；风撑采用钢管结构，断面采用圆形，半径为0.85 m，钢管由14 mm厚的Q345C钢板卷制焊接而成；拱肋采用钢管混凝土结构，断面采用哑铃形截面，钢管直径为0.9 m，截面高1.9m，钢管由14 mm厚的Q345C钢板卷制焊接管，内灌C40微膨胀混凝土；吊杆采PES5-61镀锌平行钢丝索。
浅谈钢管混凝土拱桥侧倾稳定性影响的因素
１ 拱 桥 稳 定 性 分 析 理 论
对于复杂拱桥结构 的稳定性 ， 目前一般都采用有 限元法分析 ， 分为线性稳定分析 和非线 性（ 弹塑性 ） 定分 析． 稳
收 稿 日期 ：０ ８— ３—１ ： 回 日期 ：０ ８一 ６—１ ２０ ０ ８修 ２０ Ｏ ９ 基 金 项 目 ： 设 部 科 技 项 目（０ ８一Ｋ 建 ２０ ３—１ ） １
作者 简介 ： 张莹莹 （９ ５一） 女 ， １８ ， 山东济南人 ， 苏州科技学 院土木工程 学院 Ｏ ６级硕士研 究生 ， 主要从事 钢管混凝 土拱桥方 面的
Ｋｅ ｒ ｓ ｃ ｎ ｒ ｔ ｌ ｄ ｓ ｅ ｒ ｈ；ｎ ｎ ｉ ｅ ｒ ；ｔ ｎ ｖ ｒａ ｔ ｂｌ ｙ ｎ ｕ ｎ ｅ ｙ ｗｏ ｄ ： ｏ ｃ ｅ ｅ ６ ｌ ｔ ｌａ ｃ ｅ ｅ ０ｌ ａ ｎ ｒ ｓ ｅ ｓ ｌ ａ ｉ ｔ ；ｉｎ ｅ ｃ ａ ｓ ｉ
Ｏ 概
述
钢管混凝土结构在桥梁上 的应用 ， 同时解决 了拱桥 高强度 材料应 用和施 工两 大难题 ， 因此 ， 钢管混凝 土拱桥 在我 国得到 迅速的发展． 近年来 随着 计算 理论的完善和施工技术 的进步 ， 钢管 混凝 土拱 桥 的跨径 和数量 随时 间的推移 在不断地 增大． 现 在我国大跨度钢管混凝土拱桥 的建设方兴未艾 ，已建成 的大跨度钢管 混凝 土拱桥 ，中承式有 主跨 ４ ２ｍ 的巫 山长江大桥 、 ９ 主 跨 ３ ０ｍ 的广州 丫髻沙 大桥 ， ６ 上承式有主跨 ２ ８ｍ 的奉 节梅溪河大桥 ， ８ 正在施工 中的大跨 度钢管拱桥有主跨 ３ ８ｍ的湖北恩 ３ 施至利川高速公路小河特大桥 （ 承式 钢管拱）、 上 主跨 ２ ２ｍ的杭新景高速公路千 岛湖 １号桥 （ 承式钢管拱 ）． ５ 上 随着跨 径的逐渐增大其稳定性问题 日趋 突出 ， 失稳破 坏是结 构破 坏的形 式之一 ， 它具 有破 坏突然 、 兆不 明显 的特点 ， 征
多肋钢管混凝土梁拱组合桥的设计与稳定性分析
摘要 ： 以某项 目 桥为例 ， 介绍 了多肋钢管混凝土梁拱组合桥的设计与稳定性分析 ， 拓宽 了
下 承式预 应 力混凝土 梁拱组 合桥 的适 用 范围。
关键词： 钢管； 混凝土； 拱桥 ； 设计 ； 稳定 ； 分析 中图分类号： ４８ Ｕ ４． ２ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：０６３ ２ （ １）５０ ５－ ４ １０－５ ８２ １ － ０２０ ０ ０－ － 下承式简支梁拱组合式桥梁为钢拱钢梁柔性吊
相同的竖向变形计算刚度。 分别在中间横梁边 、 中支 点影响线上施加规定的活荷载，以中间横梁在弹性 支承连续梁状态下的边 、 中支点支承反力作用在边、 中加劲纵梁上 ， 作为中拱肋 、 边拱肋活载横向分配［ １ ］ 。 ４ 计算结果 ． ２
图 ２ 建 立 的 模 型 图
２ １ 年第 ５ ０１ 期
刘小军： 多肋钢管混凝土梁拱组合桥 的设计与稳定性分析
．３ ５．
图 １ 总体布置图
距离 （ 考虑了拱肋间的风撑约束、 吊杆的非保 向力影
响、 完整的桥面系 ） 。 ２３ 施 工方 案 ． ａ ） 施工钻孔桩 、 台、 承 前墙 ； 桥梁两侧 中、 边加劲 纵梁满堂支架现浇段和通航孔预制段完成 ，并拼装 就位。现浇端横梁并张拉各加劲纵梁部分预应力束
４ 中拱肋 、 ． １ 边拱肋活载横向分配 多肋梁拱组合桥 ，与双肋式系杆拱桥计算上的
５ 结构稳 定分 析
５ 模型的建立 ． １ 采用大型通用有限元程序 Ａ Ｓ Ｓ Ｎ Ｙ 对该梁拱组 合特宽桥建立了如下的模型。拱肋 、 加劲纵梁、 横梁 风撑均 采用 Ｂ Ａ １８空间梁单元 ；桥面 板采用 Ｅ Ｍ８ Ｓ Ｅ Ｌ３ Ｈ Ｌ ６ 空间板单元 ；吊杆采用 ＬＮ １ 拉杆单元翻 ＩＫ ０ 。 全桥的离散模型共计 ４４ ９ 个节点和 ９ ９ ８ 个单元建立 的模型如图 ２ 。
钢管混凝土拱桥的静力稳定性分析
２ ０ １ 年 ６ 月 １
山 西 建 筑
Ｓ ＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩ ＴＥＣＴＵＲＥ
Ｖｏ ＿ Ｎｏ． ６ ｌ３７ １
Ｊ ｎ ２ １ ｕ． ０１
・２０ ・ ５
文章编号 ：０ ９６ ２ （ ０ ）６ ０ ０ ・ ２ １０ ．８ ５ ２ １ １ —２ ５ ０ １
１ 工 程 概 况
某下承式钢管混凝土系杆拱桥 ， 刚性系杆 刚性拱结 构。拱 为 肋 的计 算跨 径 ６ Ｉ桥面 全宽 １ ・计 算矢 高 １ 矢跨 比为 ０ Ｉ， Ｔ ６ｎ， ０ ｍ， １６ 拱轴线线形为二次抛 物线。拱肋 采用直径 为 ９ ｍ 的钢管 ， ／， ０ｃ 两拱肋中心间距 １． 吊杆采 用 Ｏ ＭＬ Ｍ（ ） ３ ８ｍ， Ｖ Ｚ Ｋ 系列成品 吊杆 ， 吊 杆间距为 ５ｍ； 公路方 向每 ５ｎ 设置横梁一 道 ， 中端横梁截面 Ｊ Ｒ ｌ 其 为２０ｉ １２～ ．９ ） 宽 × ） 中横梁截面为 ０６ｎ ×（ ． ． ｎ×（． １２５ ｍ（ 高 ， ． ｌ ０８～
算， 三种使用情况下的结构稳定性 系数统计见表 ４ 。
建 筑 ，０９ ３ （６ ：９ －０ ． ２ ０ ，５ ２ ）２ ９３０
定 承 载力 的解 析 解 只 能 在 有 限 的 条 件 下 得 到 ， 实 用 上 可 以 通 过 在
考虑几何 刚度矩 阵的有 限元程 序进行 屈曲稳定 分析 。拱 的第 二
类稳定 问题是非线性力学问题 ， 即系杆 拱桥在达 到弹性屈 曲临界 值之前 ， 几何和 材料 的双 重非 线性 因 素会使 结 构提 前丧 失稳 定 性， 即发生压溃破坏 ， 压溃 荷载要 小于 弹性屈 曲临界 荷 载。拱的 第二类稳定 问题 的求解十分 困难 ， 限于材料及几何 非线性本 构关 系的复杂性和多样性 ， 实用上一般采 用弯矩增 大系数 的方 法考 在 虑压 弯效应 。目前在工程应用领域 ， 多采 用有限元 手段求解 第一
大跨度钢管混凝土拱桥稳定性影响因素研究
１ ． ２ 分析 模 型
＋ 风荷载 ＋系统 降温 ＋ 梯 度降温
２ 计算 结果
２ ． １ 拱 肋 钢 管 内填 钢 管 混 凝 土 强 度 对 桥 梁 稳 定 的 影 响
大跨度钢 管混凝土拱桥 稳定 性影响 因素研究
王 宜 贺
（ 四川西南 交 大土 木工 程设 计有 限公 司 ， ￣ Ｉ Ｊ ｌ ｌ 成都 ６ １ ０ ０ ３ １ ）
【 摘 要】 对影响钢管混凝土拱桥稳定性的因素进行 了分析 ， 并得出了一些结论， 对今后该类桥梁的建
设具有 一定的借 鉴作用。
在荷载组合工况 三作 用且钢 管材 料及 钢管混 凝土 结构 尺寸不 变 的情 况 下 ， 分别 计 算 内填 混 凝 土 采 用 Ｃ Ａ － ０ 、 Ｃ ４ ５ 、 Ｃ ５ ０ 、 Ｃ ５ ５ 、 Ｃ ６ ０ 、 Ｃ ６ ５ 、 Ｃ ７ ０ 、 Ｃ ７ ５和 Ｃ ８ ０混凝土 时算例 的弹 性屈 曲安全 系数 。计算结果见表 １ 。
桥拱脚 基础采用扩大基础 ， 嵌 固于岩石上 。
主拱拱 肋 采 用 中承 式 双 肋 悬 链 线 无 铰 拱 ， 计 算 跨 径
２ １ ０ ． Ｏ ０ ｍ， 计算矢 高 ６ ０ ｍ， 矢跨 比 １ ／ ３ ． ５ ， 拱 轴系数 ｍ＝
（ ４ ） 组合 工况 四 ： 恒 载 ＋车载 ＋人群 荷载 ＋汽车制 动力
【 关键词 】 大跨度拱桥 ； 钢 管混凝 土 ； 稳定性
【 中图分类号】 Ｕ ４ ４ ８ ． ２ ２
拱桥是世界上 最为古老的桥梁建筑形 式之一 ， 它是 一种 兼具承重 和美 观为一体 的桥梁。２ Ｏ世纪后期 ， 随着新型组合 材料 的发展 、 现代计算机技术 的进步 和有限元理 论 的广 泛应 用， 钢管混凝 土拱桥逐渐得到发展 。 钢管混凝土拱桥是一种 比较合理 的桥 梁结构形 式 ， 它可
钢管混凝土拱桥稳定性分析例说
钢管混凝土拱桥；稳定性；有限元钢管混凝土结构是指将混凝土填充入圆钢管内形成应力比较大的区域出现塑性变形，结构的变形很快增大。
的混凝土结构，其本质上属于套箍混凝土。
随着跨径的当荷载达到一定数值时，即使荷载不再增加，甚至在减少不断增大，对于以承受压力为主的拱桥结构其稳定安全性荷载的情况下结构变形也自行迅速增大而致使结构破坏。
和极限承载力问题显得日益突出。
桥梁结构的稳定性是关这个荷载值实际上是结构的极限荷载，也称临界荷载或压系到其安全与经济的主要问题之一，它与强度问题有同等溃荷载。
拱在不同的结构形式和不同的荷载情况下，丧失重要的意义。
本文以某钢管混凝土拱桥为研究对象，采用第一类稳定和丧失第二类稳定都有发生的可能，在有些情MIDAS有限元分析程序，建立了该桥的空间有限元计算模况下，丧失两类稳定性的区别只有理论上的意义。
实际上型，计算了该桥的稳定安全系数，对其失稳特征进行了分的结构稳定问题都属于第二类，但是，因为第一类稳定问析，根据分析结果，提出了提高其稳定性的措施。
题的力学情况比较单纯明确，在数学上作为求本征值问题也比较容易处理，而它的临界荷载又近似的代表相应第1 拱桥稳定性的理论分析二类稳定问题的上限，所以在拱桥分析中，第一类稳定拱桥结构的稳定性问题一直是国内外研究的一个热问题仍具有重要的工程意义。
与中心压杆的临界荷载相点。
结构失稳是指结构在外力增加到某一量值时，稳定类似，拱的第一类稳定问题在数学上是一个齐次方程的性平衡状态开始丧失，稍有挠动，结构变形迅速增大，特征值问题。
第二类稳定的临界荷载是一个非线性塑性使结构失去正常工作能力的现象。
桥梁结构的失稳现象问题，是几何非线性和材料非线性共同作用的结果。
在表现为结构的整体失稳或局部失稳。
局部失稳是指部分实际工程中，拱桥一般都是在施工阶段发生失稳，并且结构的失稳或个别构件的失稳。
局部失稳常常导致整个多数为第一类失稳。
结构体系的失稳。
钢筋混凝土拱桥和圬工拱桥，一般情况下由于跨度较拱桥的失稳可分为平衡分支失稳(第一类)和极值点失小，拱肋截面相对较大，稳定问题并不突出，材料的强度稳(第二类)两类。
飞燕式钢管混凝土拱桥稳定性影响因素分析
主拱肋 ： 净跨 ２ ０Ｉ ， ４ 矢跨 比 １ ５ 拱轴 线 为悬 ｎ ／， 链 线 ， 轴 系数 一１ ５ 主跨 预 拱 度在 拱 顶 取 值 拱 ．．
为 ０ ４Ｉ， ． 预拱 后 的拱 轴线 仍为 悬链 线 ， ｎ 其拱 轴 系
收 稿 日期 ：０ １Ｏ—Ｏ ２ １一８１ 田 路 （９ ３ ： ， 士 生 ， 要 研 究 领域 为桥 梁 工 程 １８ 一）男 硕 主
飞 燕式 钢管 混凝 土拱 桥 ， 学 名 为 中承 式 钢 其 管混凝 土 系杆拱 桥 ＿ ， １ 因其 外 观 造 型极 似 飞 燕 展 ］ 翅 故而 得名 ． 此类 桥梁具 有结 构构 思新颖 独特 ， 受 力 合理 ， 型轻巧 美观 ， 造 跨径 大 ， 筑高度 低 ， 济 建 经
数 ｍ 一１ ４ 主 拱 圈 由钢 管 混 凝 土 弦 杆 和 钢 管 腹 ．． 杆组 成 的桁 架构 成 ， 肋全 高 ４ ５ｍ， 下 弦杆 各 拱 ． 上 为两 根直 径 １ｍ、 壁厚 １ ４ｍｍ 的钢 管 内灌 ５ ０号 混凝 土并 排形 成 ， 钢 管上 下 用 １ ２根 ２ｍｍ 厚 缀 板 连接 ， 间 内灌 ５ 其 Ｏ号 混 凝 土 ； 杆 为 直 径 ５ ０ 腹 ０ ｍｍ、 壁厚 １ ０ｍｍ 的空钢 管． 因拱脚 段拱肋 在 汛期
５ ５ｍ的 ３跨结构 ， 桥面 总宽 ２ ２ ０ ７ｍ，０ １年初建成通
车．
杆由 ２ ４束直径 １ ． ４ｍｍ、 度 １８ ０ ＭＰ ５ ２ 强 ６ ａ的低
松 弛钢绞 线组 成 ， 过主拱 肋并 锚 于边跨 端部 ． 穿 １ ２ 有 限元 建模 ． 实例 桥梁 主拱 肋 为 钢 管混 凝 土 材 料 ， 文 在 本 对该 桥梁 模型 进行线 弹性 和几何 非线 性 的稳 定分
钢管混凝土拱桥稳定性的计算理论简述
钢管混凝土拱桥稳定性的计算理论简述论文关键词：钢管混凝土拱桥稳定性非线性论文摘要：钢管混凝土拱桥作为一种承受压力的空间曲杆体系，不可避免的涉及到稳定问题。
随着钢管混凝土跨径不断的增大，对于其稳定性计算必须考虑非线性的影响，本文主要是介绍当拱桥稳定性计算理论及非线性分析理论。
随着钢管混凝土组合材料研究不断深入，施工工艺的大幅度改进，钢管混凝土拱桥在全世界范围内，特别是在我国得到了广泛的应用。
据不完全统计，自从1990年我国第一座钢管混凝土拱桥建成以来到目前为止，我国已建或在建钢管混凝土拱桥有200多座。
钢管混凝土拱桥之所以发展如此迅速，主要具有如下特点：（1）施工方便，节省费用；（2）有较成熟的施工技术作支撑；（3）跨越能力大，适应能力强；（4）造型优美，体现了民族特色；（5）大直径钢管卷制工业化，有力地促进了我国钢管混凝土拱桥的发展。
随着钢管混凝土拱桥的跨径的增大，刚度越来越柔，作为以受压为主的结构，稳定成为制约其发展的关键因素之一。
不少学者根据不同的拱桥形式在不同的参数下，提出了不同的假设，推导出了很多简化的稳定公式。
这些稳定公式将为有限元发展提供了理论基础。
本文主要是对拱桥稳定计算理论进行简单的阐述。
1 稳定计算理论1.1 概述稳定问题是桥梁工程常常遇到的问题，与强度问题同等重要。
但是，结构的稳定问题不问于强度问题，结构的失稳与材料的强度没有密切的关系。
结构失稳是指结构在外力增加到某一量值时，稳定性平衡状态开始伤失，稍有挠动，结构变形迅速增大，从而使结构失去正常工作能力的现象。
在桥梁工程中，总是要求其保持稳定平衡，也即沿各个方向都是稳定的。
在工程结构中，构件、部件及整个结构体系都不允许发生失稳。
屈曲不仅使工程结构发生过大的变形，而且往往导致结构的破坏。
现代工程结构中，不断利用高强轻质材料，在大跨度和高层结构中，稳定向题显得尤为突出。
根据上程结构失稳时平衡状态的变化特征，存在若干类稳定问题。
土建工程结构中，主要是下列两类：（1）第一类稳定问题（分枝点失稳）：以小位移理论为基础。
拱桥结构稳定分析
拱桥结构稳定分析在景观区，很多人行拱桥得到了建设。
为追求美观和新颖，很多拱桥的设计都使用新奇的结构形式和轻型的材料，以至于拱桥结构刚度普遍较小，继而引起了人们对拱桥结构稳定性的关注。
而想要研究拱桥结构的稳定性，还要掌握结构稳定分析的内容和方法。
因此，相关人员有必要对拱桥结构的稳定分析问题展开研究，以便更好的完成拱桥结构的科学设计。
1 拱桥结构及失稳问题分析所謂的拱桥，其实就是在竖直平面内以拱作为结构主要承重构件的桥梁。
拱桥的桥面为向上凸起的曲面，结构最大主应力沿着拱桥曲面作用，垂直方向最小应力为零。
在施工和运营荷载作用下，拱桥结构主要承受压力和拱肋内力为主，同时将会产生剪力、弯矩等内力。
在进行拱桥结构设计时，不仅需要关注结构强度的设计问题，还要注重结构的稳定性设计。
就目前来看，针对需要承受车辆荷载的拱桥，往往会使用拱式支架进行拱上建筑重量的承受。
而该种支架为桥梁合拢的拱肋，是一种空间曲杆体系。
拱桥结构之所以出现局部失稳或整体失稳问题，主要是由于该体系出现了失稳现象。
分析拱桥结构失稳过程可以发现，在外力增加到某一量值后，结构稳定性平衡状态将遭到打破，从而导致拱桥结构迅速发生较大变形，继而导致结构失去正常工作能力。
2 拱桥结构稳定分析2.1拱面内弹性屈曲的分析从拱桥结构稳定研究理论的发展过程来看，早在1882年，就有学者开始研究拱面内弹性屈曲问题。
所谓的拱面内屈曲，其实就是当拱受到荷载达到一定值时，拱在竖向平面内将处在拱轴线偏离的变形状态，此时向反对称的弯压平面挠曲转化就被称之为拱面内屈曲。
为研究拱的弹性稳定，Levy通过研究圆环平衡方程得到了受压圆环的屈曲临界荷载，随后Nicolai等学者也研究得到了拱两端固结屈曲临界荷载公式和拱肋惯性矩发生变化时的屈曲临界载荷公式[ 1 ]。
通过采取数值法和近似解析法，则能够得到临界荷载近似计算公式，从而对拱面内弹性屈曲展开研究。
而利用这些公式，则可以将拱桥平面屈曲理论运用到实际问题的解答中，从而更好的研究拱桥结构的稳定性。
钢管混凝土系杆拱桥稳定性的影响因素
模态描述 拱肋面外对称 拱肋面外对称 拱肋面外对称
3 钢管混凝土拱ห้องสมุดไป่ตู้稳定性影响因素
以现有拱桥的稳定计算理论为依据，对于钢管混凝土系 杆拱桥的拱肋内倾角、系梁刚度、吊杆刚度以及主拱的矢跨比 均对整体稳定性有较大影响。本文主要针对以上四种影响因 素进行研究分析。 3.1 拱肋内倾角的影响
拱肋内倾角的存在使系杆拱桥结构更具抗侧倾能力，但 拱肋的内倾角的合理取值，至今仍在研究当中。本文根据线性 屈曲理论分别对拱肋在内倾角从 ０～１４°时进行建模，在永 久作用下计算不同模型的稳定系数以研究最佳的拱肋内倾 角，并绘制稳定系数 λ 与内倾角 θ 的关系曲线如图 ３ 所示。
稳；第二类稳定是极值点失稳。拱的面内失稳分为第一类稳
定和第二类稳定，面外失稳主要以第一类为主。严格地说，拱
的面外失稳也应该属于第二类失稳。因此，相比拱的面内稳
定问题，其面外稳定问题更加突出。由于拱肋安装时的初始
偏差，荷载作用位置的偏离等因素，第一类稳定问题是在实
际工程当中是不存在的理想状态，所有的稳定问题实际上都
a 第一阶屈曲模态
了 ４５．７６％，可见在计算的稳定时，几何非线性和材料非线性 对大跨径钢管混凝土系杆拱桥的影响是很大的，同时考虑几 何非线性和材料非线性会使计算结果更加符合实际、准确。
表 2 第二类稳定计算结果
项目 仅考虑几何非线性 仅考虑材料非线性 同时考虑两种非线性
稳定系数 ４．７３２ ３．８３６ ２．７５８
何刚度阵为 軍K軍 0σ ，临界荷载为 △ F △ cr＝λ △F軈 △，则在临界荷载作
用下结构的几何刚度矩阵为：
0 K 0 σ ＝λ 0K軍 0σ
第一类稳定问题的控制方程为：
（３）
探讨钢管混凝土拱桥的稳定性及极限承载力
探讨钢管混凝土拱桥的稳定性及极限承载力一直以来，在公路和城市桥梁的建设过程中，钢管混凝土拱桥都因其具有造型优美、跨越能力大、工程造价低、以及维修养护费用少等显著特点而被广泛的应用。
然而，钢管混凝土拱桥也具有一定的局限性，尤其是应用于大跨度钢管混凝土拱桥中时，由于其宽跨小，且刚度弱，所以非常容易出现不稳定现象，或超出极限承载力的现象。
鉴于此，本文运用了有限单元法建立了相应的计算模型，以此为基础，分析了钢管混凝土拱桥的失稳模态和临界荷载，以期为更好地设计钢管混凝土拱桥贡献一份力量。
标签：钢管混凝土；拱桥；稳定性；极限承载力0 前言随着科技的不断发展和进步，尤其是计算机技术的发展，将其应用于桥梁结构工程中，不仅有助于缩减劳动力成本，而且还有助与提高效率和精确度。
其中，有限元技术就是计算机应用于桥梁结构工程中的一种现代计算方法[1]。
钢管混凝土拱桥结构稳定性问题即结构失稳，主要是指其在外界干扰的影响下，导致结构变形、破坏，进而丧失承载能力的问题。
从空间形态上可以分为面内失稳、和面外失稳；从性质上可以分为一类稳定（也称分支点失稳）和二类稳定（也称极值点失稳）。
然而，无论是哪一类失稳问题，其所导致的危害都是非常严重的。
同时，拱桥作为一种压弯结构，其所能承受的极限承载力也是工程师最为关心的问题。
鉴于此，本文从以下两个方面进行了论述。
1 计算模型1.1 研究对象本文以某钢管混凝土拱桥下承式系杆拱桥为研究对象，其主桥的计算跨径为150m。
拱肋主要是钢管混凝土桁肋，桥面主要是以预应力钢箱空心板组合为结构，桥墩所采用的则是钢管混凝土土柱。
1.2 材料参数钢管混凝土拱桥所采用的材料参数为：①拱肋内砼（C50），弹性模量35GPa，泊松比0.167，材料密度2500kg/m3；②桥面板部分（C30），弹性模量30GPa，泊松比0.167，材料密度2500kg/m3；③吊杆部分，弹性模量195GPa，泊松比0.3，材料密度7800kg/m3；④钢材部分，弹性模量210GPa，泊松比0.3，材料密度7800kg/m3。
大跨度钢管混凝土拱桥主拱肋的施工稳定性分析
大跨度钢管混凝土拱桥主拱肋的施工稳定性分析钢筋混凝土拱桥造型美觀，同时具有良好的跨越能力，在城市桥梁以及公路中有着广泛的应用。
作为典型的的自架设桥梁结构，大跨度钢管混凝土拱桥通常采用缆索吊装的方式进行施工，但是大跨度钢管混凝土的质量与刚度在施工过程中一直处在不断变化的状态当中，同时施工进程当中外荷载形成的扰动对桥梁施工稳定性也有不利的影响。
因此，本文基于大跨度钢筋混凝土工程，对桥梁施工进程中的稳定性进行分析，同时依据结构的屈曲模态以及特征值确定施工中的不利阶段，以期为此类拱桥施工提供有力的借鉴。
标签：大跨度；钢筋混凝土拱桥；施工阶段；主拱肋；稳定性0 前言钢管混凝土由于具有良好的技术优势以及力学性能，在近些年来得到了广泛的应用与发展，但是由于钢管混凝土拱桥在施工过程中的质量与刚度一直处在变化当中，同时外荷载力也比较复杂，所以，钢管混凝土拱桥施工的稳定性成为了社会各界广泛关注的问题。
1 工程概况工程采用有推力中承式的钢管混凝土拱桥构造，主桥跨度为242m，拱轴线的悬链线为1.5m，矢高比为1/4，拱肋呈桁架结构的钢管混凝土，拱肋总高度是m，总宽度为m。
圆管的外直径是，除了第吊装段以及拱脚埋设段的壁厚为之外，拱肋的厚度均为。
两个钢管之间的水平距离为，主桥拱圈采用双片式拱肋，通过拱上的吊杆与立柱连接拱上的桥面系，行车道板采用纵向“T”梁，横梁采用预制大型预应力混凝土梁，纵横交错形成连续的桥梁正交梁格结构。
行车道梁与拱肋相交位置设置拱上横梁，供上横梁主要采用形式为钢管桁架的材料，主、侧桁架的腹杆与弦杆均采用材质为的钢管，主桁架弦杆尺寸规格是。
上弦杆为压弯构造并且承受支座处局部集中荷载，为解决局部出现的承压问题以及强化承载能力，在弦杆中填充型号为C50的微膨胀混凝土。
下弦杆是拉弯构件，不需要填充混凝土。
与主桁架上弦杆相连接的拱肋腹杆尺寸是，内填微膨胀混凝土。
2 有限元分析（1）计算方法。
根据《公路钢管混凝土拱桥设计规范》中的规定[1]，在桥梁施工过程当中，需要依据拱桥的施工方法与特征分析混凝土主拱肋的稳定性，主拱肋整体的弹性稳定临界系数是4.0。
钢管混凝土拱桥稳定性分析
钢管混凝土拱桥稳定性分析
钢管混凝土拱桥作为重要的生态功能建筑，在现代的城市道路建设中发挥着重要的作用。
钢管混凝土拱桥是一种新型拱桥，其轻便、刚性好、结构简单，它的稳定性是拱桥的主要指标之一，其质量与安全性会直接影响到整个拱桥的质量安全性。
因此，进行钢管混凝土拱桥稳定性分析是十分必要的。
首先，要了解钢管混凝土拱桥的结构特征，如拱拱形式、拱面高度、拱宽度、桥长等，了解这些结构特征能够有效地帮助拱桥稳定性的计算和分析。
其次，要分析拱桥的材料性能，钢管混凝土拱桥的材料性能包括钢管的强度大小、混凝土的水泥比、基础层地基土质性状等，这些性能参数对拱桥稳定性有着重要的影响。
再次，要考虑桥梁自身的地质条件，包括桥墩地基在深度和宽度上的变化情况，以及拱桥在地面上的弯曲度和跨径比例，这些地质条件都将影响拱桥的稳定性。
此外，钢管混凝土拱桥稳定性分析还要考虑桥梁的维护。
由于拱桥的材料性能时有变化，所以应定期维护和检查拱桥，以确保拱桥的稳定性。
最后，要根据拱桥的结构特征、材料性能、地质条件和维护情况，采用相应的分析方法进行拱桥稳定性分析，如力学分析、材料性能分析、动力学分析等。
以上是钢管混凝土拱桥稳定性分析的内容，本文简要地介绍了钢
管混凝土拱桥稳定性分析的内容，其重要性及其分析过程。
要保证拱桥安全可靠，就必须要进行钢管混凝土拱桥稳定性分析，以保证拱桥的质量和安全。
钢管混凝土拱桥的稳定性分析不仅是对拱桥的安全可靠性的评估，而且是对质量及安全的保证。
只有通过系统的稳定性分析，才能保证拱桥的质量与安全性，以满足城市道路建设需要。
钢管混凝土拱桥稳定性的计算理论简述
钢管混凝土拱桥稳定性的计算理论简述摘要：本文针对钢管混凝土拱桥的稳定性问题，从理论计算的角度对其进行了探讨。
首先简述了钢管混凝土拱桥的构造特点和受力情况，然后介绍了钢管混凝土拱桥的设计原则和设计计算方法。
接着阐述了钢管混凝土圆形拱桥的静力分析方法，并针对桥墩的稳定性进行了数值模拟计算。
最后对钢管混凝土拱桥的稳定性进行了评估，并提出了相应的加固措施。
关键字：钢管混凝土拱桥，稳定性，设计原则，设计计算方法，数值分析，加固措施。
1. 引言钢管混凝土拱桥是一种新型的桥梁结构，具有承载力大、刚度好、耐久性强、施工方便等优点，特别是在跨度较大的工程中表现出了明显的优越性。
然而在钢管混凝土拱桥的设计和施工中，其稳定性问题一直是困扰工程师们的难题。
本文旨在探讨钢管混凝土拱桥的稳定性问题和相应的解决方法，为相关工程实践提供参考。
2. 钢管混凝土拱桥的构造特点和受力情况钢管混凝土拱桥是一种以钢管为骨架、混凝土为填充物的桥梁结构。
其构造特点主要包括以下几方面：（1）柱与拱采用钢管混凝土结构，两者通过锚固套筒连接起来，形成整体结构；（2）拱段分布顺应曲线，通过节点连接完成整个结构；（3）横向变位通过悬臂梁与拱顶连接传递；（4）桥面铺装采用钢筋混凝土铺装层覆盖沥青路面。
钢管混凝土拱桥所受的荷载作用主要分为水平荷载和垂直荷载两种。
水平荷载包括风荷载和地震荷载，作用于桥梁的平面上。
垂直荷载包括自重和交通荷载，作用于桥梁的竖直方向上。
在桥梁的使用过程中，还可能出现冰雪荷载、水流荷载等非常规荷载。
3. 钢管混凝土拱桥的设计原则和设计计算方法（1）设计原则钢管混凝土拱桥的设计应符合以下原则：① 桥面宽度应符合交通规定，并满足行车安全和通行舒适性要求；② 拱形应满足静力平衡和刚度要求；③ 桥墩应满足稳定性和承载能力要求；④ 施工应符合安全、经济、高效的要求。
（2）设计计算方法钢管混凝土拱桥的设计计算方法应分为静力分析和动力分析两部分。
钢管混凝土拱桥施工过程稳定性分析
钢管混凝土拱桥施工过程稳定性分析文章采用有限元方法对某钢管混凝土拱桥的施工过程进行了稳定性分析，发现该桥个别施工阶段的稳定安全系数较低，考虑到施工过程中的不可预见因素的影响，应加强安全措施。
标签：钢管混凝土拱桥；施工；稳定性钢管混凝土拱桥由于其承载力高、跨越能力大、桥型美观且施工方便、造价较低，近年来在我国取得了较大发展。
钢筋混凝土拱桥和圬工拱桥，一般情况下由于跨径较小，稳定问题并不突出，通常把拱肋等效为一压杆进行稳定性验算，这种方法显然只能作为拱桥稳定的简单估算。
对于钢管混凝土拱桥，跨径一般较大，且施工方法一般也不同于钢筋混凝土拱桥和圬工拱桥，只有采用有限元方法进行空间分析才能真实反应钢管混凝土拱桥在施工过程和成桥使用阶段的稳定性能。
1 计算理论稳定时桥梁工程中经常遇到的问题，与强度问题有着同等重要的意义。
结构失稳是指结构在外力增加到某一量值时，稳定性平衡状态开始丧失，稍有扰动，结构变形迅速增大，使结构失去正常工作能力的现象。
结构的稳定问题从失稳的受力性质上分为两类：第一类稳定，分支点失稳问题；和第二类稳定，极值点失稳问题。
实际工程中的稳定问题一般都表现为第二类失稳。
但是，由于第一类稳定问题在数学表达式上表现为特征值求解问题，较为方便，在许多情况下两类稳定问题的临界值又相差不多，因此研究第一类稳定问题有着重要的工程实际意义。
根据有限元平衡方程可以表达结构失稳的物理现象。
在T.L列式下，结构增量形式的平衡方程为：（0K0+0Kσ+0KL）？荪u=0K0？荪u=？荪R （1）在U.L列式下，结构增量形式的平衡方程为：（tK0+tKσ）？荪u=tKT？荪u=？荪R （2）发生第一类失稳前，结构处于初始构形线性平衡状态，因此，T.L列式中的大位移矩阵0KL为零。
在列式中不再考虑每个荷载增量步引起的构形变化，所以不论T.L还是U.L列式，结构的平衡方程的表达形式是同一的。
即：（K+Kσ）？荪u=？荪R （3）在结构处在临界状态下，即使？荪R趋向于零，？荪u也有非零解，按线性代数理论有：| K+Kσ |=0 （4）在小变形情况下，Kσ与应力水平成正比。
钢管混凝土桥结构稳定性分析研究
钢管混凝土桥结构稳定性分析研究摘要：钢管混凝土拱桥在我国的应用发展很快，它是一种优势明显、极具发展潜力的桥型，本文重点对助供横向结构的稳定性进行分析研究，系统探讨了钢管混凝土桥桥梁结构存在的问题及研究建议。
关键词：钢管混凝土；拱桥结构设计；助供横向结构1引言钢管混凝土拱桥均为助拱桥，由于其材料强度高，随着跨径的增大，横向稳定问题较为突出，所以其横向结构的合理采用至关重要。
上承式助供，可采用多助结构（多于二的），横向联系通常布置成等间距的径向根撑（或根系梁），其横向稳定主要取决于整桥的宽跨比。
对于中不承式拱，横向联系的布置在桥面附近受到行车空间的限制，同时对横向动力特性和美观也有很大的影响，合理布且尤为重要。
有时为加强其横向稳定性，将其两助内倾而成提亚扶。
与之相对应，一般助扶则称为平行肋供。
当然，对于跨径不是很大的城市桥梁，或出于景观考虑，也有做成无风撑的。
钢管混凝土拱桥布置图2横撑布置横撑布置对结构横向稳定的影响要大于其自身刚度。
研究表明，拱顶附近揭撑布置成与拱轴线正交、在其他地方与拱轴线相切，对提高横同稳定效果较好[4]。
这是因为，拱助横向先稳向面外恻倾时，拱顶处的债撑主要承受洪助的扭转变形，采用竖向布置的横撑增强了对拱肋在拱顶处的扭转变形的约束，能提高拱的面外稳定性。
在其他地方，尤其是L／4附近拱助侧倾时根撑要承受供助的相对错动，对核撑是横向湾矩，因此，采用切向布置（如K撑），对约束拱助的相对错动有较大的作用。
横撑在增加横向稳定的同时，由于它使得供的横向整体刚和质量的提高，特别对于中下承式拱桥由于重心的提高，使得拱对横向地震波的响应增大[5]。
对于钢管混凝土拱桥来说，在横向受力时，由于结构受力并不以受压为主，因此钢管混凝土抗压强度高的特点并没有得到充分发挥出.相对于宝钢管拱桥来说，钢管混凝土拱桥钢管内混凝土的质量加大了供的横向受力。
因此钢管混凝土抗压强度高的特点并没有得到充分发挥出.相对于宝钢管拱桥来说，钢管混凝土拱桥钢管内混凝土的质量加大了供的横向受力。
钢管混凝土劲性骨架拱桥弹性稳定性分析
钢管混凝土劲性骨架拱桥弹性稳定性分析张朦朦;张谢东;杨笑天【摘要】为探究大跨度钢管混凝土劲性骨架拱桥的弹性稳定性,以及不同工况组合、提篮拱形及横撑、非保向力系和矢跨比因素对稳定性的影响,以某大跨度钢管混凝土劲性骨架拱桥为实例,应用Midas/Civil有限元分析软件,建立多组模型进行分析比较,得到稳定性变化规律.结果表明,钢管混凝土劲性骨架拱桥在内注混凝土施工阶段处于最不稳定状态,需采取安全措施增强稳定性;选择合适的矢跨比、拱形,以及横撑能大幅提高拱桥的空间稳定性,而非保向力系对上承式拱桥的稳定性影响可忽略不计.【期刊名称】《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》【年(卷),期】2016(040)004【总页数】5页(P736-740)【关键词】桥梁工程;弹性稳定性;有限元分析;钢管混凝土拱桥;稳定性影响因素【作者】张朦朦;张谢东;杨笑天【作者单位】武汉理工大学交通学院武汉430063;武汉理工大学交通学院武汉430063;中国市政工程中南设计研究总院有限公司第四设计院武汉430010【正文语种】中文【中图分类】U448.22钢管混凝土(concrete filled steel tube)是一种主要以承受压力为主的钢-混组合结构，钢管的约束作用使得核心混凝土处于三向受压状态，从而提高其抗压强度和抗变形能力提高2～3倍以上[1]，使得钢管混凝土桥自重大幅度减轻，跨度得以增大.钢管混凝土材料除了具有塑性好、重量轻、强度高、耐冲击、耐疲劳等多种优点之外[2]，钢管作为劲性骨架为自架设体系，可在工厂制造，在工地分段吊装架设，施工方便且费用低廉[3]，因此钢管混凝土桥近年来发展迅速.但是随着跨度的增大，稳定性问题成为制约其发展的主要因素之一，对大跨度钢管混凝土劲性骨架拱桥进行稳定性分析是十分必要的.国外学者较早开始了对拱桥面内和侧倾屈曲的研究，Sakimoto等[4-5]在考虑截面残余应力的基础上提出了较为实用的拱桥稳定性计算公式.我国从20世纪50年代开始钢管混凝土结构的研究工作，文献[3]对钢管混凝土拱桥的第一类和第二类空间稳定性进行了分析，表明几何非线性对稳定性的影响很小，并且分析了原因；周元元[6]对钢管混凝土桥稳定性因素进行了研究，表明横撑、矢跨比和拱肋刚度对结构稳定性均有较大影响.拱桥的稳定性问题在空间失稳形态上分为面内失稳和面外失稳两类；从失稳的受力性质可分为第一类分支点失稳和第二类极值点失稳.桥梁实际工程中的稳定问题一般都表现为第二类失稳，但是由于第一类稳定问题是特征值问题，力学情况单纯明确，求解方便，在许多情况下两类问题的临界值又相差不大，因此研究第一类稳定问题无论在理论分析中还是在工程应用上都占有重要地位[7].根据稳定与平衡的关系可以建立求解第一类稳定问题的控制方程.U.L.列式下，结构的平衡方程可以写为式中：K为结构的弹性刚度矩阵；Kσ为结构的几何刚度矩阵；Δu为位移增量；ΔR为荷载增量.当结构处于临界状态时，即使ΔR→0，Δu也有非零解，按线性代数理论，必有因此，若某种荷载P对应的结构几何刚度矩阵为σ，临界荷载为式中：λ为临界荷载系数.那么在临界荷载作用下结构的几何刚度矩阵为于是式(2)可写成式(5)就是第一类稳定问题的控制方程.稳定问题便转化为求方程的最小特征值问题，求得式(5)中的λ便是结构在荷载P作用下的稳定安全系数，相应的特征向量就是失稳模态.某钢管混凝土劲性骨架拱桥主桥计算跨径370 m，竖直平面内矢高83.5 m，矢跨比为1/4.43，拱轴线采用m=3.5的悬链线.主拱圈平面呈X形(提篮形)，从拱脚到拱圈分叉处由两肢单箱单室拱肋组成，拱顶合并为单箱双室截面.拱圈由钢管混凝土劲性骨架外包C55混凝土构成，拱肋劲性骨架材质采用Q390C钢材，管内灌注自密实无收缩C60混凝土.拱上桥面系采用跨径组成为4×38 m+3×38m+4×38 m的3联箱型钢-混连续结合梁，梁高为等高3.4 m.桥上线路为铁路双线，线间距为5.0 m，设计车速为200 km/h.总体布置见图1.采用结构有限元软件Midas/Civil建立大桥全桥空间结构计算模型，分析不同工况下的稳定安全系数和失稳模态，并探讨提篮拱形及横撑、非保向力和矢跨比因素对空间稳定性的影响.为比较不同工况和各种因素影响下的空间稳定性，建立了多组有限元模型，但都以设计成桥状态作为基本模型进行修正.钢管混凝土劲性骨架、钢混结合梁和拱上立柱均采用梁单元模拟，外包混凝土采用板单元模拟，全桥共1 947个节点，4 911个单元，其中梁单元4 000个，板单元911个.钢筋混凝土截面采用组合截面形式，在Midas/Civil中，计算钢-混截面刚度时，将混凝土截面换算为等效钢材截面.有限元模型中，拱脚采用固结，拱上立柱与主拱圈采用刚性连接，拱上立柱与桥面系之间采用刚性连接但按实际情况释放部分约束.模型见图2.大桥稳定性分析分为以下6种主要工况组合.工况一劲性骨架合拢，内注混凝土浇筑完毕但仅计重力.工况二劲性骨架合拢，内注混凝土参与结构受力.工况三外包混凝土浇筑完毕且参与结构受力.工况四成桥自重.工况五成桥自重+二期恒载.工况六成桥自重+二期恒载+全桥满布列车荷载.使用多组有限元模型进行计算分析，得到前15阶失稳模态，并将每种失稳模态首次出现时所在的阶次和稳定安全系数进行整理分析，见表1.分析表中数据可以看出：1) 工况一处于最不稳定状态，此时劲性骨架合拢，内注混凝土浇筑但未达到龄期，混凝土重量为412 032 kN，仅作为外荷载作用在钢管骨架上，还未形成钢管混凝土结构，所以此时稳定性较低，一阶稳定安全系数仅有2.979，低于λ≥4的要求.在内注混凝土施工阶段，施工方为保证结构安全选择不拆除架设钢管骨架的扣索和背索，但在表1中可以看出，第1阶失稳模态为面外失稳，因此此措施对于提高施工安全并没有太大效果.2) 工况二为内注混凝土达到龄期，开始于钢管共同受力形成了钢管混凝土结构，因此其稳定性大幅增高，1阶稳定安全系数达到22.21.工况三为最稳定状态，此时外包混凝土达到龄期开始参与结构受力，钢管混凝土劲性骨架箱型截面拱已经成型且具有了较大的承重能力.作为整座桥的主要承力结构，主拱圈不仅要承受自身重力，还要承受拱上结构和活载，因此，在拱上结构尚未施工时，裸拱处于最稳定状态.3) 工况四与工况三相比，面内失稳模态的稳定安全系数降低了6%，说明拱上结构对桥梁整体稳定性的正面作用小于负面作用，并且出现拱上立柱失稳模态.但是面外失稳模态的稳定安全系数不但没减小，反而略有增加，分析原因可知拱上立柱和钢混结合梁都具有较大的横向抗弯惯矩(拱上立柱为605.3 m4，钢混结合梁为41.03 m4)，远大于其纵向上的抗弯惯矩(拱上立柱为76.5 m4，钢混结合梁为1.876 m4)，因此在一定程度上提高了全桥面外稳定性.工况五和工况六与工况四相比，各失稳模态稳定安全系数依次减小，二期恒载和列车荷载作为附加荷载使结构稳定性降低.表1中各失稳模态的稳定安全系数除工况一外均远大于λ≥4的要求，究其原因一方面是桥梁在设计时采用了较大的安全系数，另一方面是第一类稳定问题所求得的临界荷载近似的代表第二类稳定问题的上限，所得到的安全系数要大于其实际的安全系数.在实际中，成桥之后很少出现全桥满布列车荷载的情况，因此以工况五作为各因素对稳定性的影响分析的基本模型.在拱桥的稳定性分析中，低阶失稳模态几乎都是面外弯扭侧倾失稳，通常面外失稳出现在高阶.文献[1]中分析的某钢管混凝土拱桥，直至第9阶才开始出现面内失稳；文献[2]中所分析的某钢管混凝土拱桥，面内失稳在第8阶才开始出现.从表1中数据可知，成桥后出现面内失稳的最低阶次为第1阶，面外失稳到第5阶才开始出现，因此针对研究提篮拱形及横撑对桥梁稳定性的影响，对模型进行修改，其他因素不变，建立以下4种模型进行分析比较.模型一主拱圈为平行拱，没有横撑.模型二主拱圈为平行拱，横撑位置与设计相同.模型三主拱圈为平行拱，两拱肋之间全部横撑相连.模型四主拱圈为标准设计提篮拱.分析结果见表2.分析表2中数据可知，从模型一到模型二面外失稳稳定系数增加了54.3%，表明横撑可以大幅增加结构的面外稳定性；而从模型二到模型三面外失稳稳定系数增加了7%，表明增加横撑的数量可以在一定程度上提高结构的面外稳定性，但提升效果有限，而且增加横撑也增加了结构的自重；从模型二到模型四面外失稳稳定系数增加了70.7%，提篮拱形对结构的面外稳定性有显著的提高.横撑和拱形对面内稳定性的影响很小，可忽略不计.王元清等[8]指出，拱桥在发生平面内失稳时，拱上立柱倾斜产生非保向力将会加速失稳的趋势；平面外失稳时，拱上立柱倾斜产生对桥面的拉力，这种非保向力也有加速拱肋倾斜的作用.为了探究非保向力系对结构稳定性的影响，将模型的拱上结构等效成集中力作用在拱肋上，进行分析计算，结果见表3.表3数据结果与文献[10]中所叙述的并不符合，非保向力系对面内稳定性的影响很小，而对面外稳定性有一定提高作用.经过对模型的研究可以发现原因：首先桥面系和拱上立柱的重量相对较小，分别为42 380 kN和156 600 kN，仅占全桥重量(1 340 000 kN)的3.2%和11.7%，且拱上立柱的重量主要集中在靠近拱脚的立柱上，所以拱上结构对面内稳定性的影响较小.而针对于面外稳定性，拱上立柱的横向抗弯惯矩(605.3 m4)远大于钢混结合梁的横向抗弯惯矩(41.03 m4)，因此在发生面外失稳时，桥面会随着拱上立柱产生横向位移，并不能使拱上立柱产生侧倾；其次，将拱上结构等效为集中力作用在拱上，忽略了拱上立柱和钢混结合梁的刚度，文献[8]中指出“拱上建筑多以连续梁为主，梁的刚度增加了拱的稳定性”，如表3所示，拱上结构可以提高拱的面外稳定性.主拱圈的矢跨比(h/l)的大小与拱桥的水平推力密切相关，也在一定程度上影响了结构的整体稳定性.通过控制参数不变，改变矢跨比，分析矢跨比对结构稳定性的影响(大桥矢跨比为1/4.43).结果见表4.分析表4数据可知，随着矢跨比的减小拱上立柱的稳定性增加，面内和面外稳定性减小.矢跨比减小时，拱上立柱的高度也减小，因此拱上立柱的稳定性增加，增加幅度分别为92%，60.6%，45.7%，36.6%，总共提高了513.5%.面内稳定性降低幅度为0.3%，9.9%，9.2%，9.3%，总共降低26.1%.面外稳定性降低幅度为0.9%，5.6%，6.7%，6.7%，总共降低18.5%.不同失稳模态稳定安全系数变化曲线见图3.由图3可以看出，矢跨比过大和过小都不利于桥梁整体结构的稳定性，大桥的矢跨比1/4.34比较合理，接近于最优矢跨比，而且可以得到最大的1阶稳定安全系数.1) 该桥在内注混凝土未达到龄期时处于最不稳定状态，一阶稳定安全系数仅有2.979，小于λ≥4的要求；主拱圈成型和成桥之后工况稳定安全系数均较大，稳定性较好.2) 增加横撑可以最高将面外稳定性提高64.9%，而采用提篮拱形可以在横撑基础上对面外稳定性提高70.7%.采用提篮拱形与增加横撑相比，对增加面外稳定性的程度要大，且可以避免过多横撑所附加的结构自重.3) 对于上承式拱桥，非保向力系可以降低结构的面内稳定性，降低程度与拱上建筑重量占全桥的比重密切相关.由于拱上结构的横向刚度较大，较少出现横向倾斜，因此非保向力系不一定会降低结构面外稳定性，相反，结构面外稳定性会由于拱上结构的横向刚度而增大.4) 拱上立柱高度随着矢跨比的减小而降低，稳定性增大；面内稳定性和面外稳定性会随着矢跨比的减小而减小.因此要根据结构稳定性趋势选择最优矢跨比，此桥矢跨比1/4.34接近最优矢跨比.综上所述，钢管混凝土劲性骨架拱桥在不同工况、拱形及横撑、非保向力、矢跨比影响下稳定性均有所差异.其中施工阶段尤其内注混凝土阶段为最不稳定状态，要加强施工过程安全措施；选择合适的矢跨比、拱形及横撑能大幅提高拱桥的空间稳定性，而非保向力对上承式拱桥的稳定性影响较小，可忽略不计.。
钢管混凝土拱桥施工全过程稳定性分析
钢管混凝土拱桥施工全过程稳定性分析王晓斌【摘要】大跨度钢管混凝土拱桥常采用缆索吊装斜拉扣挂法施工.应用有限元软件,针对某中承式钢管混凝土拱桥建立了从拱肋吊装至成桥的全过程计算模型,并对该有限元模型进行了稳定性分析,得出各工况下结构的稳定安全系数,最后讨论了设置横向风缆对拱肋稳定性的影响.结果表明,该桥施工各阶段稳定性均满足规范要求.%Lang span concrete-filled steel tube (CFST) arch bridge is constructed usually by lane cable. In this paper,a three-dimensional finite element model is built for the 220 m half-through CFST arch bridge. Its stability factor and the instability mode are given under the specific construction stage. Finally, the effect of guy-cable on the stability of arch ribs is studied. The analysis results show that the stability can meet the requirements of related codes during different construction stages.【期刊名称】《石家庄铁道大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(025)002【总页数】4页(P28-31)【关键词】钢管混凝土;拱桥;稳定分析;有限元模型【作者】王晓斌【作者单位】神华包神铁路有限责任公司,内蒙古鄂尔多斯017000【正文语种】中文【中图分类】U445.5钢管混凝土拱桥具有跨越能力大、承载能力高、塑性和韧性好、施工方便迅速等优点，在桥梁工程中得到了越来越广泛的应用。
钢管混凝土拱桥的拱肋稳定性可靠度分析_许福友
第20卷第1期2004年3月长沙交通学院学报JOU RNA L OF CHANG SHA COM M U NI CAT ION S U N IV ERSIT YV ol.20No.1M ar.2004文章编号:1000-9779(2004)01-0006-05钢管混凝土拱桥的拱肋稳定性可靠度分析许福友1,张建仁2,郝海霞2(1.同济大学桥梁工程系,上海200092; 2.长沙理工大学,湖南长沙410076)摘要:介绍了钢管混凝土拱桥的拱肋在稳定性失效模式下功能函数的建立方法。
作为分析算例,建立了丫髻沙大桥在某工况下主拱拱肋5个典型截面的功能函数。
用JC法、图解渐近法和波动探寻法对其进行了可靠度分析,并将三种方法的计算过程和结果借助图形加以显化。
计算结果表明,拱肋稳定性是足够安全的。
关键词:拱桥;钢管混凝土;稳定性;可靠度中图分类号:U448.22文献标识码:A钢管混凝土是由混凝土填入薄壁钢管内而形成的高强高性能组合结构材料,同时也是一种高效施工技术[1],是套箍混凝土的特殊形式。
钢管混凝土拱桥具有结构轻盈、形式优美、跨越能力大,并具有能同时解决拱桥高强度材料应用和施工两大难题[2]等诸多优点,受到众多桥梁工作者的特别推崇,至今在全国各地已建和在建的钢管混凝土拱桥已达上百座,并呈现方兴未艾之势。
在钢管混凝土拱桥的设计分析中,计算模型通常需要经过理论假设和简化的步骤,过去为了考虑外部荷载的随机性及结构中物理参数的不安全因素的影响,而引入经验安全系数,这就使得钢管混凝土拱桥的设计分析是确定的,而不是随机的,无法对钢管混凝土桥梁的可靠概率做出定量估计。
因此本文首先根据钢管混凝土计算理论,在充分考虑材料性能、结构几何参数和计算模式的不定性基础上,介绍钢管混凝土拱桥主要受力部件拱肋稳定性失效模式下功能函数的建立方法,然后以广州丫髻沙大桥为工程依托,建立在某工况下其主拱拱肋在拱脚、1/8跨径、1/4跨径、3/8跨径、跨中5个典型截面功能函数,最后用JC法、图解渐近法和波动探寻法计算5个功能函数对应的可靠指标。