缆风对钢管混凝土拱桥施工稳定性的影响.pdf

2 0 1 1 年 1 月第 1 期 城 市道桥 与 防洪 管理施工 8 3 缆风对钢管混凝土拱桥施工稳定性 的影 响 高 宝梅 ( 中交二 公局 第一 工程 有 限公 司 ， 湖北 武汉 4 3 0 0 1 9 ) 摘要 ： 该 文对 目前 大跨 度 钢管 混凝 土拱 桥 考虑 材 料非 线性 的各 种 分析 方 法进 行 了概 述 ， 结合 一 工程 实例 ， 采 用纤 维 单元 模 型 探讨 了几 何 和材料 双重 非线 性 ， 尤其 是后 者对 拱桥 施丁 稳定 性 的影 响 。同时 ， 文 章还对 缆风 在施 工过 程 中对拱 肋稳 定性 的 有 利影 响 、 缆风设 置 、 缆 风初 张力 等 问题作 了定 量分 析 。 关 键词 ： 钢 管混凝 土拱 桥 ； 非线 性 ； 稳 定 ； 缆风 ； 纤 维单 元模 型 ； 施 工 ； 影 响 中图分 类号 ： U 4 4 8 2 2 文 献标 识码 ： A文章 编号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 1) 0 1 0 0 8 3 0 3 0 引言 目前 ，钢管混凝 土拱 桥整体稳定分 析以弹性 理论为主。 在工程实践 中， 稳定 安全系数 的确定 主 要依靠经验 ， 尚没有统一 的定 义和取值标准 。 大跨 度钢管混凝土拱桥 由于跨 径较大 ， 宽跨 比较小 ， 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 ， 必须考虑几何 和材料非线 性影响 ， 按 双重非线 性理论 来分析其稳定性和极限承载力 。 目前 ， 国内 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 ， 但相对而言 ， 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 的基础上 ， 结合 工程实例并 引用纤维单元模型 ， 着 重对施工阶段 钢管混凝土拱桥 的非线性稳 定性进 行分析 ，探讨 双重非线性尤其是材料非线性 对拱 桥稳定性 的影 响 ，同时对考虑缆风结构 的非线性 稳定问题进行 分析 。 1 考虑缆 风 结构 的 非线性 稳 定 问题 在大跨 度拱桥施工 中 ，缆风是 防止结 构失稳 坍塌的重要 安全设 施。 若 缆风设置不 当 ， 或过早拆 除 ， 就有可能造成拱桥破坏甚 至倒塌 。 例如 四川某 钢筋混凝 土拱 桥就曾因在施 工过程 中过早拆 除缆 风 ， 在 突遇大风袭击 时 ， 塔架发生坍塌 而使桥 梁破 坏。然而 ，目前对缆风的设 置还往往基 于工程经 验 ， 缺乏充足 的理论指导 。对 缆风这类 索构件 ， 其 特点是只能承受拉力 ，索的 自重对结构平衡 影响 不可忽略。因此 ， 用拉压杆模 拟缆风会引起 误差 。 对于一任 意挠 度的索 ，可以把它离散成一 系列相 收稿 日期： 2 0 1 0 1 1 2 4 作者简介： 高宝梅( 1 9 7 4 一 ) ， 女 ， 陕西宝鸡人 ， 工程师 ， 从事道 路 土 建工程 施丁 管理 工作 。 互连接 的索单元 ， 经离散后 ， 每一 索单元的矢跨 比 比原来整索 的矢跨 比小 ，从而可 以采 用小挠度理 论 来分析各个索单元 。在小位移 、 高应力条件下 ， 也可 以用直杆代 替缆风 ， 索 的垂度效应采 用 E r n s t 公式对弹性模量进行修正。在工程实例分析 中， 可将扣索 、缆风和钢管混凝土组成 的结构视为索 梁结构进行稳定性计算 ，即钢管混凝 土结构采用 纤维单元模型 ， 索取为空间不受压 的杆单元 ， 并用 E r n s t 公式对 弹性模量进行修 正 ； 考虑在 每级 荷载 下钢管混凝土结构 的双重非线性影 响 ，采用混合 法求解极 限荷载和非线性稳定系数 。 2 失稳 特征 判 别及 稳定 安全 系数 2 1 失稳特征判别 钢管混凝土拱结构失稳 为空间失稳 ， 其面 内 、 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 【 2 】 根据 节点 的 面 内竖 向挠度 变化 率 与侧 向 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 ， 面外 为线性 ， 则判定为面 内失稳 ； 反之 为面外失稳 。 比 较而言 ， 后 一判别 方法在概念上更为明确 ， 判别方 法也简单易行 ， 建 议计算时采用。 2 2 稳 定 安全 系 数 经典 的拱结构稳 定安全系数往往基 于线 弹性 理 论 ，而对钢管混凝土拱桥 的稳定安全 系数 目前 尚没有统一的定义和取值标准 。 工程 中， 一般认 为 线 弹性稳定 安全系数 值不应小 于 4 5 ，而考虑 非 线 性影响后 的稳定安 全系数不应小 于 2 。文献【 4 】 将 稳 定 安 全 系 数 定 义 为 结 构 极 限 承 载 力 与 恒 载 和外 加 荷 载之 和 的 比值 ，即 K = ( + A P o ) ( + ) 。其 中 为结 构 所 承 担 的 恒 载 ， 为该 结构所受 的实际施工 荷载 ， A为结构 失 稳 前可承受 的实 际施工荷载 的倍数 。这种方法 在 和 方 向相 同时 可行 ， 但若 两者 方 向不一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 4 管理施工 城 市道桥与防 洪 2 0 1 1 年 1 月第 1 期 致 ， 则有待商榷 。 在此 ， 笔者认为 ， 钢管混凝 土拱桥非线性稳定 安全系数应结合失稳形态 以荷载作用下结构 的效 应来计算 ， 表达式为 ： K = S d S o ( 1 ) 式 ( 1 ) 中： s 广_ -结构丧失稳定达极限承载力时 的 荷载效 应 ； |s 。 实 际荷 载 作 用 下结 构 的荷 载 效 应 ， 稳形式可 采用文献 【 3 】 中的方 法判别 。 考虑到钢管混凝土拱桥 以受压为主 ，弯矩和 剪力相对轴力而言均不大 ， 建议公式 ( 1 ) 可 以用轴 力来表示结构的荷载效应 。 3工程 实例 分 析 3 1 工程 概 况 某中承式钢管混凝土桁桥跨径为 2 6 4 m， 矢跨 比 1 4 5 ， 拱 轴线为悬链 线 ， m= 1 4 ， 吊杆间距 8 m。 桥面系采用 箱型横梁 和 T型纵梁 ；桥面 以上设 6 道 、 桥面 以下设 2道钢管桁架横撑 ； 桥面 以上设 2 道肋 间横梁 ，拱脚上下 弦约 5个节间段设计外包 混凝土 ， 两肋拱座间设两道系梁连接 。 该桥施工方 案采用扣锚一体化 的缆索 吊装施工 ， 如图 1 所示 。 3 2 施工过程 中缆风设置及其对 大跨度钢 管混凝 土拱桥稳定性 的有利影响【 5 】 全桥共设 6对缆风索 ( 沿上下游对称布置 ) ， 每 吊装 完 一 个 节 段 后 加 1对 缆 风 ，在 吊 装 4 # ， 5 #， 6 #节段后 分别拆除 l #， 2 ， 3 缆风 。共取 9个工况进行分析 ：工况 16为 吊装 1 #6 #节 段 ，工况 7为 吊装合 龙段 ，工况 8为灌注混凝 土 ( 混凝土仅计 自重 ) ，工况 9为灌注完混凝土且混 凝土强度达到设计值 。 3 2 1缆风在施工过程 中对大跨度钢管 混凝 土拱 桥稳定性的有利影响 缆风对钢管混凝土拱桥 整体稳定性 的有利影 响非常显著 ，缆风非线性尤其几何非线性对大跨 度钢管混凝土拱桥稳定性 的影响较为显著 。结果 表 明 ： 设置缆风后 ， 各施工工况的稳定 系数均有较 大幅度提高 ， 其 中以 甜 和 5 #缆风 ( 拱腰 附近处 ) 对稳定性 的贡献最 大 ， 约提高 7 0 。由此可见 ， 设 置侧 向缆风索 ， 有利于加强拱肋侧 向刚度 ， 促使钢 管混凝土拱桥失稳形 态发生变化 ( 一般 由面外失 稳转变为面 内失稳 ) 。工况 7典型失稳形态如图 2 所 示 。 图 2 工 况 7一 阶面 内失 稳图 ( 双重 非线性 ) 3 2 2 缆 风 设 置 此处 以工况 8为例 ( 双重非线性稳定系数为 2 9 3 ) ， 对缆风设置进行初 步探讨 。由表 1 可知 ： 钳 和 5 #缆风对拱肋 非线性稳定性影 响最为显著 ， 3 # 和 6 样次 之 ， l #和 2 #缆 风 对 拱 肋稳 定 性 影 响最 小 。因此 ， 在大跨 度拱 桥施 工过 程 中 ， 应尽 量把 缆风布置在拱腰和拱顶附近 ， 以增加侧向刚度从 而提高拱 桥稳定性 。 戎州 桥较为合理 的布置方式 是 在空 钢管合 龙时 只保 留 4 #和 5 #或 4 # ， 5 # ， 6 # 缆 风 。 3 2 3 横 向风力作用下缆风初张力对拱肋稳定性 影响 在大跨度拱桥施工过程 中，缆风一般 仅有 自 重 ，在横向风力作用下或 当拱肋偏 向一侧 而将另 一 侧缆风拉紧后 ，缆风会依靠其 自重对结构平衡 影响 的不 可忽略性对 拱肋稳定性产 生有利影 响。 因此 ， 在设置缆风时 ， 若 除 自重外再施加一定初 张 力 ，是否会对大跨度拱桥稳定性产生更有利 的影 响 ， 目前并无定性定量分析 。鉴于此因 ， 此处 以工 况 8为例 ，保 留 甜 ， 5 #两对缆风 ( 上下游对称布 置 ) ， 每对缆 风张紧并另 给定初张力 ， 基本 风速采 用 2 4 3 r n s ，来探讨缆风初 张力对大跨 度拱 桥非 线性稳定性 的影响。从 图 3看 ： 增加缆风初张力 ， 图 1 大桥 拱肋 吊装示 意图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年 1 月第 1 期 城 市道桥 与防洪 管理施工 8 5 表 1 工 况 7缆风 布置 与拱肋 稳定 系数的 关 系 拱肋稳定性会有一定提高 ， 但效果不 明显 ； 且 随横 向风力增 大 ，缆风初 张力对拱肋 稳定性 的有 利影 响会逐 步减 弱。因此 ， 从工程实 际出发 ， 建议 缆风 不 另 施 加 初 张力 。 辍 图 3缆风 初应 力对 拱肋 稳定 性 的影响 4 结 论 本文结合工程实例 ， 对大跨度钢管混凝土拱桥 非线性 稳定 、缆风设 置及其在施工过程 中对拱桥 稳定性 的有利影响等问题进行了探讨 ， 结论如下 ： ( 1 ) 钢管 混凝 土拱非 线性 稳定 安全 系数应结 合 失稳形 态 以荷 载作用 下结构 的效应来 计算 ， 且 也不能拘 泥于“ 传统 ” 的定义和取值 。 ( 2 ) 缆风布置方式对钢管混凝土拱桥稳定性 的 有利影 响较 为显著 。 一 般而言 ， 在拱腰 和拱顶 附近 设置缆 风对结构较 为有利。 ( 3 ) 给缆 风施加 初张力 ， 效果 不 明显 ， 从工程 实际出发 ， 建议缆 风不 另施 加初 张力 。 参 考 文献 【 1 】 胡 松， 何 艳 丽， 王肇 民 大挠度 索结 构 的非线 性有 限元 分析 J 】 工 程 力学 ， 2 0 0 0 ， 1 7 ( 2 ) ： 3 6 4 2 2 】 赵 雷 ， 张 金 平 大 跨度 拱 桥施 T 阶段 非 线性 稳 定性 分 析若 干 问 题 的探 讨【 J J _ 铁道 学报 ， 1 9 9 5 ， 1 7 ( 1 ) ： 7 6 8 4 3 】 戴 公 连， 李 德建 ， 曾庆 元 ， 等 深 圳 市芙 蓉 大 桥 连续 钢 管 拱系 杆 拱桥空间稳定性分析 中国公路学报， 2 0 0 1 ， 1 4 ( 1 ) ： 4 8 5 1 【 4 h一之 ， 单 德 山， 赵 雷 大跨度 钢管 混凝 土拱 桥非 线性 分析 J 】 桥 梁 建设 ， 2 0 0 1 ， ( 5) ： 5 - 9 5 】 李 元兵 中承式 钢管 混凝 土拱桥 空 间稳定 性分 析 D 】 成都 ： 西 南 交 通大 学， 2 0 0 5 李盛霖 、 冯正霖寄语 中国公路 学会 发挥桥梁纽带作用 促进公路科技创新 近 日， 中国公路学会第七届全国会员代表大会在北京召开。交通运输部部长李盛霖发来 贺信 ， 副部长冯正霖出席会议并讲话 。原交通部副部长 、 终身名誉理事长王展意 出席会议 ， 原 交通部副部长 、 第六届理事长李居 昌作工作报告 ， 原交通部副部长胡希捷 当选新一届理事长。 李盛霖在贺信 中说 ， 多年来 ， 中 国公路学会 以促进公路交通科技进 步与繁荣 为宗 旨， 紧 紧 围绕服务 国民经济和社会发展全 局 、 服务社会 主义新 农村建设 、 服务 人 民群众安 全便捷 出行 ， 团结组织广 大会 员和科技工作 者 ， 在促进公路科技 创新方面做 了大量 富有 成效 的工 作 ， 为交通运输持续 健康发展作 出了积极贡献 。希望新一届理事会认真学 习贯彻党 的十七 大 、 十七届五 中全会精 神 ， 秉承勇于开拓的 作风 和锐 意进 取 的精神 ， 加强学会 自身建设 ， 继 续 团结带领广大公路 交通科技工作 者 ， 在现代交通运输 业发展实践 中发挥桥梁纽 带作用 ， 为交通运输科学发展作 出新 的贡献 。 冯正霖在 讲话 中充分肯定 了学会成立 3 2年来为我 国公路行业科技创新 和公 路交通事 业发 展作 出的积极 贡献 。他指 出， 当前 ， 我 国公路交通业正处于加快转变发展方式 、 推动科 学 发展 的关键 时期 ， 改 革发展 的任务 十分繁重 ， 对破解影 响和制约公路 交通科学 发展 的重 大技术 问题也提 出了新的更高要求 ， 学会在新时期新 阶段可 以大有作 为。 中国公路学 会是我 国交通运输行业成立最早 的学术性社 会团体 ， 是公路 行业创新体 系 的重要组成部分 。 目前 ， 学会有 1 3个分会 、 1 8 0 0多个 团体会员 、 近 7万名个人会员 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m