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摘 要： 摘要：拱肋的失穩形態分為縱向失穩(又稱面內失穩)和橫向失穩(又稱面外失穩或側傾失穩)。采用無支架施工或在拱上建筑完成前就脫架的大跨度拱橋，應驗算拱的縱向穩定性。 關鍵字：整體吊裝,鋼箱拱肋,穩定性,幾何非線性 1 穩定理論概述 鋼橋的穩定具有與強度同
摘要：拱肋的失穩形態分為縱向失穩(又稱面內失穩)和橫向失穩(又稱面外失穩或側傾失穩)。采用無支架施工或在拱上建筑完成前就脫架的大跨度拱橋，應驗算拱的縱向穩定性。
關鍵字：整體吊裝,鋼箱拱肋,穩定性,幾何非線性
1 穩定理論概述
鋼橋的穩定具有與強度同等重要的意義，拱橋的拱肋是以受壓為主的壓彎構件，當拱肋采用鋼結構時容易發生整體失穩。
按照結構失穩是否發生質變的觀點，一般將穩定問題分為兩類[1]：
第一類穩定問題和第二類穩定問題。實際工程穩定問題一般都表現為第二類失穩，但因為第一類穩定問題是特征值問題，求解方便，且在許多情況下兩類問題的臨界值相差不大，因此研究第一類問題仍有重要意義。
2 拱橋穩定理論
考慮到實際拱橋施工過程中有可能出現各種問題：鋼構件焊接殘余應力、構件安裝偏差、壓力線隨荷載的增加不斷變化、拱軸線的彈性壓縮等，拱結構除了承受較大的軸壓力外還承受了彎矩和扭矩。在非對稱荷載作用下，拱在發生豎向變形的同時也發生水平變位，隨著荷載的增加，在應力較大的區域出現了塑性變形，結構的變位在變形形式沒有改變的情況下，荷載繼續增大，當荷載增大到一定數值時，即使荷載不再增加，結構的變形也會迅速增大致使結構發生破壞。對于一般的拱橋結構，其受力以面內為主，面內失穩以極值點失穩為主;而對于寬跨比比較小的提籃拱橋結構，既可能發生面內失穩又可能發生面外失穩，即側傾失穩，而面外失穩以分支點失穩為主[15]。
3穩定性分析實例
某拱橋鋼箱拱肋采用整體提升法施工，考慮自重、臨時拉索張拉力和提升過程中的橫橋向風荷載作用。拱肋和提升支架均受到風力作用，拱肋提升拉索為柔性結構，不能承受橫橋向風荷載作用，拱肋的風荷載通過提升拉索傳至提升支架上。提升支架為鋼桁架結構，截面尺寸小，風壓力小，拱肋截面高，風荷載作用不可忽視。因此，有必要對提升支架和提升段拱肋進行穩定性分析。提升支架為臨時結構，不在施工監控的服務范圍內，此處不予計算分析。采用有限元分析軟件ANSYS10.0對該拱橋鋼箱拱肋進行穩定性分析，取拱肋施工過程中的最不利工況進行穩定性分析，分析工況如表1所示：
表1 鋼箱拱穩定性分析工況表
工況結構荷載邊界支撐
CS1：整體提升拱肋、滑靴、提升支架、臨時拉索自重、張拉預應力、橫橋向風荷載提升點支撐
3.1 線彈形分析結果
拱肋的失穩形態分為縱向失穩(又稱面內失穩)和橫向失穩(又稱面外失穩或側傾失穩)。采用無支架施工或在拱上建筑完成前就脫架的大跨度拱橋，應驗算拱的縱向穩定性。當拱圈寬度小于跨徑的1/20時，應驗算拱的橫向穩定性。拱肋穩定系數應>4.5-5，以保證結構的安全[17]。
CS1工況下對模型進行線彈性屈曲分析，分析結果如下。
3.1.1 不考慮風荷載的情況
CS1(整體提升)工況下，僅考慮結構自重和臨時拉索張拉力時，拱肋前10階穩定安全系數及相應的失穩模態如表2所示。其穩定安全系數為20.57>5，主拱肋整體穩定性滿足工程設計要求。
表2 前10階穩定安全系數及相應失穩模態
屈曲階數安全系數失穩形態屈曲階數安全系數失穩形態
120.57面內對稱失穩675.61面內對稱失穩
231.12面內對稱失穩7114.35面內對稱失穩
352.83面內對稱失穩8119.74面內對稱失穩
459.20面內對稱失穩9131.39面內對稱失穩
566.36面內對稱失穩10143.03面內對稱失穩
3.1.2 考慮風荷載的情況
CS1(整體提升)工況下，考慮了結構自重、臨時拉索張拉力、橫橋向風荷載的情況時，拱肋前10階穩定安全系數及相應的失穩模態如表3所示。其穩定安全系數為20.25>5，主拱肋穩定性滿足工程設計要求。
表3前10階穩定安全系數及相應失穩模態
屈曲階數安全系數失穩形態屈曲階數安全系數失穩形態
120.25面外對稱失穩674.88面外對稱失穩
231.00面外對稱失穩7105.12面外對稱失穩
352.07面外對稱失穩8121.69面外對稱失穩
458.75面外對稱失穩9129.25面外對稱失穩
566.09面外對稱失穩10137.14面外對稱失穩
3.2 非線性極限承載力計算
當結構的位移大到足以使幾何形狀發生顯著改變時，必須按變形的位置建立平衡方程，即考慮結構的幾何非線性影響[15]。
為考察幾何非線性效應對結構穩定安全的影響，對結構進行了考慮了幾何非線性的拱肋極限承載力計算，結果如下。
CS1(整體提升)工況下，拱肋穩定安全系數為11.35>5，結構穩定性滿足設計要求。
3.3 對比分析
表4 拱肋提升穩定安全系數
計算情況安全系數失穩形態
自重、拉索張拉力20.57面內對稱失穩
自重、拉索張拉力、風荷載20.25面外對稱失穩
自重、拉索張拉力、風荷載
(考慮幾何非線性)11.35面外對稱失穩
如表4所示，橫橋向風荷載對提升拱的穩定系數影響較小;而幾何非線性對提升拱的穩定系數影響很大。在主拱提升工況下，臨時索—拱結構屬于柔性結構，進行穩定性計算分析時，其幾何非線性效應需要考慮。
4 結論
本文詳述了橋梁結構的一類穩定和二類穩定問題，介紹了拱橋的兩種失穩形態：面內失穩和面外失穩。采用ANSYS軟件對該拱橋主拱肋提升過程中的最不利工況進行了穩定性分析，考慮了三種情況，得出結論如下：
(1)僅考慮恒載(自重)的情況下，拱肋結構的整體穩定安全系數為20.57，滿足規范要求。
(2)考慮了恒載和橫橋向風荷載后，拱肋結構的整體穩定安全系數為20.25，滿足規范要求。
(3)考慮了幾何非線性效應后，拱肋結構的整體穩定安全系數為11.35，滿足規范要求。
(4)對比計算分析可知，拱肋提升過程中，風荷載對拱肋的一類失穩問題影響不是很大。
(5)拱肋整體提升施工時，臨時索—拱結構為柔性結構，進行穩定性分析時幾何非線性的影響不容忽視。
參考文獻
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