大跨度钢管混凝土拱桥非线性整体稳定性研究
跨水库大跨度中承式钢箱拱桥稳定性分析——以新滩溪特大桥为例
工程前沿15工程技术研究 第7卷 总第114期 2022年5月005 .DOI:10.19537/ki.2096-2789.2022.10.作者简介： 陈钰，男，本科，高级工程师，研究方向为公路桥隧工程质量安全管理。
摘要：新滩溪特大桥为跨径170 m 的中承式钢箱拱桥，拱肋采用单箱单室钢箱截面。
为了研究大跨度中承式钢箱拱桥的稳定特性，文章采用midas Civil 建立了该拱桥的三维有限元模型，分别研究了恒载和恒载+活载组合下拱桥关键部位的受力特性，并对其各关键部位的安全性及稳定性做了相应的评价。
通过数值计算研究，可进一步认识大跨度中承式钢箱拱桥的受力特征，所得结论可为同类型桥梁的设计提供参考。
关键词：钢箱拱桥；有限元；主梁受力；拱肋受力；吊杆受力；横撑受力Abstract: Xintanxi Bridge is a half-through steel box arch bridge with a span of 170 m. Its arch rib adopts a single-box single-chamber steel box section. In order to study the sta-bility characteristics of the long-span half-through steel box arch bridge, this paper uses midas Civil to establish a 3D fi-nite element model of the arch bridge. The stress character-istics of the key parts of the arch bridge under dead load and dead load + live load are studied, and the safety and stability of its key parts are evaluated accordingly. Through numeri-cal calculation, the stress characteristics of long-span half-through steel box arch bridge can be further understood, and the conclusions can provide references for the design of similar bridges.Key words: steel box arch bridges; finite element; main gird-er stress; arch rib stress; suspender stress; transverse brace stress 分类号：U448.22；U441拱桥不仅具有独特的结构特点和造型魅力，而且具有跨越能力强、使用寿命长等优点[1]，如1 400多年前建成的赵州桥，是世界范围内现存最早、最完整的巨型石拱桥[2]。
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
钢管混凝土拱桥基于有限元的整体稳定性分析
析 ， 析表 明 该桥 的 屈 曲 稳 定 比较 可 靠 ， 构 失稳 模 态均 为拱 肋 面 外 失稳 ， 明 拱 肋 的 横 向 刚 度 相 对 系粱 较 弱 ． 分 结 表
关 键 词 ： 管 混 凝 土 ； 桥 ； 定性 ； 限元 钢 拱 稳 有
中图 分 类 号 ：Ｕ４ ８ ２ ４ ． ２；Ｔ １ ． Ｕ ３２ １ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ １—６ ３ （ ０ １ ０ １７ １ ２ ２ １ ） ６—０ ３ ０ ｌ一０ ４
混 凝 土 拱 桥 稳 定 性 问 题 一 直 是 业 内 人 士 讨 论 的
重 点 ．
１ 工 程 概 况
格 丑 沟 特 大桥 位 于 既有 神 延铁 路 红柳 林 车 站 延安 方 向约 ２ ０ ｍ， 跨 越 格 丑 沟 及 ２４省 道 而 ６０ 为 ０ 设， 主桥采 用 １孔 １ ６ ｍ 钢 管 混 凝 土 系 杆 拱 桥 跨 ３
第１ ０卷 第 ６期
２０１１年 ６月
南 阳 师 范 学 院 学 报
Ｊ ｕ ｎａ ｆＮａ ｙ ｎ ｒ ｌＵｎ ｖ ｒｉ ｏ ｒ ｌｏ ｎ ａ ｇ Ｎｏｍａ ｉｅ ｓｔ ｙ
Ｖ０ ． ０ Ｎｏ ６ １１ ． Ｊ ｎ． ２ ｌ ｕ ０ｌ
钢 管 混 凝 土 拱 桥 基 于 有 限 元 的 整 体 稳 定 性 分 析
越 ． 构 设 计 为 刚 性 系 梁 刚 性 拱 ， 径 Ｌ＝１６ ｍ， 结 跨 ３ 全 长 １ ９ ６ｍ， 用 先 梁 后 拱 的 施 工 方 法 ． ３ ． 采
过去 拱 桥稳 定 分 析过 程 中都做 了很 多 近似 的
假 定 ， 能 真 实 地 反 映 拱 的 稳 定 承 载 能 力 ， 能 用 不 只
梁 单元 模拟 ， 梁 端 部 采 用变 截 面 梁单 元 模 拟 ， 系 吊
钢管拱桥与钢管混凝土桁架拱桥的稳定特性比较研究
《 现代 交通技术）０６ 第 ２ ）０年 ２ 期
文章编号 ：６ ２ ９ ８ （０ ６ ０ — ０ ０ ０ １７ — ８９ ２ ０ ） ２ ０ ４ — ４
钢管拱桥与钢管混凝土桁架拱桥 的稳定特性 比较研 究
张伟 民 谢 旭 。， ， 陈海滨
内力和 刚度等方 面比较 ， 对铜 管混凝 土的有效性进 行 了研 究分析 。 果表 明。 管钢 管混凝土的结构刚度 明显 大于钢 结 尽 管结构 ． 钢管拱桥 具有 自重轻 、 力低等优 点 ， 失稳 安全 系数和 内力特性 并不 比钢管混凝土拱桥 差． 但 轴 其 因此进一 步 比较钢管混凝土拱桥 和铜拱桥 的稳 定特性 ， 工程设计很有参考价值 对 关键词 ： 铜管混凝 土； 拱桥 ； 管； 钢 稳定 中图分类号 ： ４ ８２ Ｕ ４ ．２ 文献标识码 ： Ａ
一
钢 管 和混 凝 土 材 料 的组 合 可 以发 挥 这 两 种 材
料 的各 自 优点 、 提高结构 的抗压强度和延性 ， １ 近 Ｏ 年来钢管混凝 土结构在我 国桥梁建设 中得到 了迅 速 的发展 ， 已建设 了多种形式 、 同跨度 的钢管混 不 凝土拱桥 ， 无论是跨度还是结构形式都达到国际领
Ｏ 前 言
欧美 、 日本等不少 国家对钢管混凝土结构所作 的基 础性研究并不 比我 国落后 ， 这些 国家通过大量试验 研究和理论分析基本掌握 了钢管混凝 土结构 的力 学特性 ， 然面 ， 这些 国家并没有在拱 桥结构 中推行 钢管混凝土材料 ， 值得我们深思。 钢拱桥 的建设 已有约 ９ ０年的历史 ，其 中包括
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｎ ｌｓｏ ｐａｉ ｌｒｅｄ ｆ ｃｉｎ ｔｅ ｒ ，ｎ ａｃ ｒｄ ｅｗａ ｎ ｌｚｄ ｉ ｏ ａｉ ｎ ｔｅｓａ ｉｔ ｉｔｒ ａ ｏｃ ｓｒｃ： ｉｇｅａ ｔ－ ｌｔ ａｇ ｅ ｅ ｔ ｈ ｏｙ ａ ｒｈ ｂｉｇ ｓａ ａｙｅ ｎ ｃ ｍｐ ｒｓ ｈ ｔｂｌｙ，ｎｅ ｌ ｒｅ Ｕ ｃ ｌ ｏ ｏ ｉ ｎ ｆ ａ ｄ ｓｉｎ ｓ ｅｗｅ ｎ Ｃ Ｓ ｔ ｃｕｅａ ｄｓｅ ｌｐｐ ｔ ｃｕｅＴ ｅｒｓ ｌ ｈ ｗ ａ ｏ ａｅ ｏＣ Ｓ ｔ ｃｕ ｅ Ｓｅ ｌ ｉｅ ｎ ｔ ｆｅｓｂ ｔ ｅ Ｆ Ｔ ｓｒ ｔｒ ｎ ｔｅ ｉｅｓｒ ｔｒ ．ｈ ｅｕｔ ｓｏ ｔ ｔｃｍｐ ｒｄｔ Ｆ Ｔ ｓｒ ｔｒ ，ｔｅ ｐ ｆ ｕ ｕ ｓ ｈ ｕ ｐ
缆风对钢管混凝土拱桥施工稳定性的影响
面 外 均 有 位 移 ，可 根 据 拱 肋 变 形 及 拱 顶 荷 载 一位 移 关 系 曲线 区 分 拱 肋 是 面 内 失 稳 还 是 面 外 失 稳 。 文 献 【】 据 节 点 的 面 内 竖 向 挠 度 变 化 率 与 侧 向 ２根 位 移 变 化 率 的相 对 大 小 来 判 别 失 稳 形 式 。文 献 ［】 ３ 则 认为 ， 若拱 顶 的 面 内变 形 与 荷 载 呈 非 线 性 ， 外 面 为 线 性 ， 判 定 为 面 内失 稳 ； 之 为 面外 失 稳 。 比 则 反 较 而 言 ， 一判 别 方 法 在 概 念 上 更 为 明 确 ， 别 方 后 判 法也简单易行 ， 议计算时采用。 建
度 钢 管 混 凝 土 拱 桥 由于跨 径 较 大 ， 跨 比较 小 ， 宽 其
一
阶 失 稳 形 态 一 般 是 面 外 半 波 失 稳 。 面外 失 稳 大
部 分 发 生 在 弹 塑 性 变 形 范 围 之 内 ，按 弹性 理 论 计 算 的 拱 桥 稳 定 安 全 系 数 往 往 大 大 高 于 实 际 值 。 因 此 ， 须 考 虑 几 何 和材 料 非 线 性 影 响 ， 双 重 非 线 必 按 性 理论 来 分 析 其 稳 定 性 和 极 限 承 载 力 。 目前 ， 内 国 外 所 采 用 的 钢 管 混 凝 土 材 料 非 线 性 模 型 尚无 法 全 面地反映结构的全过程受力性能 ， 相对而言 ， 但 纤 维 单 元 模 型 更 接 近 于 钢 管 混 凝 土 结 构 的 实 际 行
为 。本 文 在介 绍 大 跨 度 钢 管 混 凝 土 拱 桥 材 料 模 型
２ 失 稳 特 征 判 别 及 稳 定 安 全 系 数
戴河大桥整体稳定性研究
筋 及钢板材 料假设 成理想 弹塑性 材料 ， 本构 关系 为
１ ｓ￡ ） ｆ （ （￡ ￡ ≤ ） ≤
式 中 ： 为钢筋屈 服强度 ； 为钢 筋弹性 模量 ．
（） ３
图 １ 戴 河大 桥 立 面 图 （ 位 ：ｍ） 单 ｃ
（） 束 混 凝 土 的应 力 一 变 关 系 ．首先 要 考 虑 ２约 应 约束效应 系数 ， 并且假 定在 弹塑 性 阶段 的应 力应 变
式中 ： ｌ ［ 为结 构线 性 刚度矩 阵 ； 为 几何 刚度 矩阵 ； ｘ ［
九 为稳 定安 全 系数 ．
虽 然 线性 屈 曲法 计 算 简便 、 念 清楚 ， 它 的理 概 但 论 基础 运用 的是 分 支点 稳定 理论 ， 因此 只 能用 于理想 的结 构 ， 而不 能考 虑 各种初 始 缺陷 的影 响【． ５ １
通过 刚性 吊杆 法 来确 定 ．采用 只拉 吊杆 ＬＮＫ１ 单 Ｉ ０ 元 ， 过初 应 变 法来 实 现 吊杆 张拉 效 果 ， 考 虑 吊杆 通 并
力 比例 极 限 ； 为钢 管 混凝 土组 合 材料 的弹性 变形
比例极 限 ； 为 钢管 混 凝 土组 合 材料 的极 限屈 服 应
中图分 类 号 ：Ｕ４ ８２ ４． ２
文献 标识 码 ：Ａ 文章 编号 ：１０ —８ ３ ２ １） １０ １—６ ０ ６６ ５ （０ １０ —０ ５０
钢管混 凝 土拱 桥是 以承受 压力 为主 的结 构体 系 ， 具 有 承 载力 高 、 工 方便 和 经 济 效果 好 等 优 点 ， 施 是一
３ 桩 一 结构 相互 作用 ． ４ 土一
采用 桩 土模 式 ， 弹簧 来模 拟场 地 土 ， 弹 簧 的 用 土 刚度 由土介 质 的 ｍ 值 计算 ． 土模式 有两种 ： 种是 桩 一
钢管混凝土桁架式拱桥结构优化与强健性研究
钢管混凝土桁架式拱桥结构优化与强健性研究第一篇范文钢管混凝土桁架式拱桥作为一种新型的桥梁结构形式，在我国近年来得到了广泛的应用。
该结构以其独特的受力性能和优异的力学性能，在我国桥梁建设领域占有重要地位。
然而，随着桥梁工程的大规模展开，钢管混凝土桁架式拱桥的结构优化与强健性研究成为了当前亟待解决的问题。
钢管混凝土桁架式拱桥结构优化主要包括以下几个方面：首先是截面优化。
通过调整桁架的截面尺寸，使其在满足强度、刚度等基本要求的前提下，实现整体重量的减轻，提高结构的承载能力。
其次是桁架形式的优化。
根据不同的地形、交通需求和结构受力特点，选择合适的桁架形式，以提高结构的受力性能和稳定性。
再者是材料的选择。
合理选择桥墩、钢管、混凝土等材料的种类和性质，以提高结构的强健性和耐久性。
在结构强健性研究方面，主要是针对钢管混凝土桁架式拱桥在施工和运营过程中的各种风险因素进行分析，以提高结构的抗风险能力。
具体包括以下几个方面：首先是施工过程中的风险控制。
通过对施工工艺的改进和施工设备的优化，降低施工过程中的安全风险。
其次是结构疲劳研究。
通过对拱桥的疲劳性能进行模拟和试验研究，提出合理的疲劳寿命预测方法，为延长桥梁使用寿命提供依据。
再者是抗风稳定性研究。
通过对拱桥的抗风性能进行模拟和试验研究，提出合理的抗风稳定措施，以提高桥梁的抗风能力。
钢管混凝土桁架式拱桥结构优化与强健性研究是一个复杂的系统工程，需要我们深入研究和探索。
只有在充分了解和把握结构受力性能的基础上，才能实现对该结构形式的优化和提升，从而为我国桥梁建设事业做出更大的贡献。
第二篇范文想象一下，你正在穿越一座巨大的拱桥，它如同一条巨龙般蜿蜒在河面上。
你可能会惊叹于它的壮丽，但你是否想过，这座桥是如何承受每天成千上万车辆的重量，如何在风雨中屹立不倒？这一切，都离不开钢管混凝土桁架式拱桥的结构优化与强健性研究。
首先，我们得知道，钢管混凝土桁架式拱桥是一种集合了钢管和混凝土两种材料优点的结构。
大跨钢管混凝土桁架拱桥受力分析与研究
大跨钢管混凝土桁架拱桥受力分析与研究发表时间：2020-12-03T12:40:04.810Z 来源：《科学与技术》2020年21期作者：王波[导读] 苏龙珠黄河特大桥上构为上承式钢管混凝土桁架拱桥，主拱圈采用等剖面的悬链线，王波中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100097摘要：苏龙珠黄河特大桥上构为上承式钢管混凝土桁架拱桥，主拱圈采用等剖面的悬链线，桥面板采用钢筋混凝土π型板梁，拱桥空间结构复杂，采用MIDAS CIVIL 2019对主桥总体计算、静力稳定屈曲分析和抗震计算分析，计算结果满足要求。
主桥不设置预拱度，通过立柱高度调整下挠。
关键词：上承式钢管混凝土拱桥，拱肋，立柱，静力稳定，抗震拱桥拥有古典而优美的形式，在我国的建造历史悠久。
由于我国经济建设的快速发展及桥梁建设技术的进步，具有自重轻、强度高、塑形好、耐疲劳等优点的钢管混凝土拱桥得到快速发展，大规模应用在我国桥梁建设当中，为拱桥建设发展注入了新的活力。
钢管混凝土桁架拱桥以其较好的整体性及横向稳定性，成为了地质条件较好的山区峡谷地区有较强竞争力的桥型。
钢管混凝土桁架上承式拱桥空间结构复杂，本文以我司设计的青海省循化至隆务峡段高速公路的重点控制性工程苏龙珠黄河特大桥为工程背景，使用MIDAS CIVIL 2019建立有限元模型，对该桥进行总体计算、静力稳定屈曲分析和抗震计算分析。
1 工程概况苏龙珠黄河特大桥为西北地区跨径最大的上承式钢管混凝土拱桥，主桥净跨为220m，净矢高40m，净矢跨比40/220=1/5.5，主拱圈采用拱轴系数为2.2的悬链线。
1.1拱肋拱肋由两片钢管混凝土桁架构成，桁架间距8.6m，每片钢管桁架拱肋由4根φ850mm钢管构成,高4.5m，宽2.35m，横向由φ400mm钢管连接两根主钢管，竖向采用φ400×10mm钢管连接。
主拱肋上弦钢管壁厚依次为：跨中44m区段间采用φ850×24mm钢管，紧接相邻28m区段间采用φ850×18mm钢管，再紧接相邻38m区段间采用φ850×14mm钢管，再紧接相邻12m区段间采用φ850×18mm钢管，剩余拱脚区段采用φ850×24mm钢管。
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.。
大跨度跨线钢管混凝土拱桥整体顶推施工控制研究
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国 交 工 与 术－ ２８ ３ 讯
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实例分析 ・
大跨度跨 线钢 管混凝 土拱桥 整体 顶推施 工控制 研 究 袁平 荣
幅
杆 拱 桥 构 造 见 图 １所 示 。
） 主梁 断 面 图 （） 肋 断面 图 ｃ拱
图 １ 石 环 系 杆 拱 桥 结 构 简 图 （ 位 ：ｍ） 单 ｃ
２ 石环 系杆 拱 桥 主 要 施 工技 术 方 案
主 桥桩 基 施工 采用 旋 挖 钻机 成 孔 、 管 灌 注水 导 下混凝 土 的施工 方案 ； 桥最 大承 台 尺 寸为 １ ． ｌ 主 Ｏ ７ｒ ｌ ×１ ． ｌ ． ｌ属 大体 积 混凝 土 ， 混 凝 土 配合 ４ ７ｒ×３ ０ｒ， ｌ ｌ 其 比设 计采 用“ 双掺 ” 技术 ， 浇筑 时 ， 在 采取 降低混 凝 土 内外 温差 的措 施 ； 墩柱 采用 整体 钢模 板现 场浇 筑 ； 混 凝 土 系梁 在 １ 墩 后 侧 搭 设 预制 平 台 进 行 整 体 预 ２
形断 面 ， 高为 ２ ３ ３ １ ４ ｃ 宽 为 ２４ ０ ｃ 吊杆 ６ ～ ０ ． ｍ， ３ ｍ，
（） 部 结 构 半 立 面 图 ａ上
间距 为 ５ ０Ｉ ， 片 拱肋 设 吊 杆 １ ． １每 Ｉ ７根 ， 杆 采用 外 吊
径 ９ ５ｃ Ｐ 防护 的半 环 氧 喷 涂钢 绞 线 。石环 系 ． ｍ、 Ｅ
小西 帐村北 ， 由南 向北依 次跨 越 ３ ７国道 、 ０ 石德 铁路
良村 车站 、０ ３ ７国道复 线 、 石津 灌 溉 渠 。主 线 主 桥位
于直 线段 ， 下部 结 构采用 群 桩基础 ， 墩 为矩形 等截 桥 面柱 式墩 ， 主梁 为预 应力 混凝 土 系杆拱 结构 ， 用 刚 采 性 系梁 、 刚性 拱 ， 道 拱 肋 采 用 两 根 钢 管 拼 成 哑 铃 每 型， 材质 采用 Ｑ３ ５ ４ ｄ钢 ， 钢管外 径 １ ｏｃ 钢管 及腹 ２ ｍ， 板 除拱肋 预埋 段 壁 厚 为 １ ６ ｍｍ 外 ， 余 壁 厚 均 为 其 １ ４ｍｍ， 内充 Ｃ Ｏ微 膨 胀 混凝 土 。主 桥 系 梁 采用 箱 ５