徐超

(中国华西工程设计建设有限公司,四川 成都610030)

拱桥作为一种常用的桥梁形式,应用广泛。随着拱桥跨径增加,拱桥的横撑对其稳定性有重要影响。本文以淮州湾大桥为研究对象,采用Midas软件研究分析了“中国结”式横撑对拱圈稳定性的影响。

1 工程概况

淮州湾大桥位于成都市金堂县淮州新城。大桥全长421m,包括主桥和引桥,其跨径布置为5×30m+145m+4×30m。主桥采用1-145m下承式钢箱拱桥跨越沱江,两侧引桥分别采用5×30m及4×30m现浇预应力混凝土连续箱梁。主桥为五级航道,桥梁纵坡3.48%(人字坡)。桥梁宽度为主桥34m,两侧引桥30m。从美观以及文化角度考虑,该桥梁采用了“中国结”式横撑。图1为淮州新城淮州湾大桥效果图。

图1 桥梁效果图

桥位区地貌上属成都平原沱江水系Ⅰ级阶地冲洪积平原地貌及低山丘陵斜坡地貌。桥位处河流较为平顺。河漫滩分布冲洪积卵石土,斜坡受坡表冲沟及人工改造的影响,地形呈陡缓相间的阶梯状台地呈带状分布,表层被素填土及粉质粘土覆盖。工程区内构造简单,在区域构造上隶属新华夏系一级沉降带～四川盆地西部边缘的龙泉山褶皱带。工程区处于龙泉山大背斜以东,但距离背斜核部较远,对线路影响较小。

淮州湾大桥及连接线建设工程的建设,其一是完善作为金堂县国家级小城镇建设重点镇的(淮口镇)路网体系,其二是解决近期及远期淮口镇交通压力问题,其三是便利沱江两岸人民的出行往来,缩短行程。

2 稳定问题的基本理论

随着桥梁的不断发展,桥梁结构的稳定性是影响桥梁安全和经济的主要问题之一,桥梁失稳是桥梁工程中普遍存在的一种现象。根据相应的失稳计算理论,我们可以把失稳分成两种:第一种是分支点稳定问题,当结构受到的荷载接近临界荷载时,构件不仅能够保持最初的均衡,还可能出现第二种均衡状态；第二种是极值点失稳问题,即结构保持均衡状态时,随着荷载的增加,这一结构应力较集中的地方可能发生塑性变形,荷载不断增加,当达到一定程度时,可能会瞬间产生较大变形。当荷载达到某一数值后,停止加载,变形也持续增大,直到结构破坏。

下面讨论第一类问题,分支点稳定问题的有限元矩阵方程是:

式(5)就是分支点稳定稳定问题的控制方程。

找出失稳模态下的特征向量,计算最小特征值 λ,即可得出安全系数。于是,通过求解方程最小特征值,便可解决稳定问题。

3 稳定性分析

3.1 计算模型与方法

3.1.1 材料

3.1.1.1 钢材:主梁及主拱采用Q345qCNH钢,E=2.1 ×105MPa,G=0.81×105MPa。

3.1.1.2 混凝土:盖梁及墩柱采用C40,E=3.25 ×105MPa,承台及桩基采用C40,E=3.15 ×105MPa。

(E——弹性模量,G——剪切模量。)

3.1.2 计算荷载

3.1.2.1 恒载

钢材78.5 kN/m3,铺装24kN/m3。

3.1.2.2 汽车及人群荷载

设计荷载:公路－Ⅰ级(城-A级校核)及人群荷载(3.0 kN/m2)。

3.1.2.3 温度荷载

桥梁升温35℃、降温30℃,主梁及主拱温度梯度10℃。

3.1.2.4 风荷载

按基准风速为24.5 m/s计算。

3.1.2.5 地震作用

根据规范可知,淮州湾大桥属于一级公路兼城市主干路,跨度为145m,桥梁抗震设防类别为B类。

3.1.3 荷载组合

3.1.3.1 组合一:恒载。

3.1.3.2 组合二:恒载＋汽车+人群荷载。

3.1.3.3 组合三:恒载＋汽车+人群荷载+温度+风载。

3.1.3.4 组合四:恒载＋E1地震荷载。

3.1.3.5 组合五:恒载＋E2地震荷载。

3.1.4 计算模型

建立Midas Civil 8.32 空间杆系及板单元模型(除桥面板及拱梁结合段底板选取板单元,其余选取梁单元,吊杆选取只受拉桁架单元),计算模型如图2所示。

图2 计算模型

3.2 计算结果

采用Midas Civil软件,对主桥进行稳定性分析(汽车、人群及风荷载考虑为静力荷载),得出其前4阶屈曲模态,其状态和系数如下:

图3 前4阶屈曲模态

表1 前4阶段屈曲模态稳定系数

计算结果显示,主桥在运营阶段(考虑汽车活载),稳定性最小值为10.39 (该值一般大于4.0 即可认为其满足要求)。

4 结论

淮州湾大桥横撑考虑美观因素,采用了“中国结”式的横撑,为分析横撑带来的稳定性影响,基于第一类稳定性基本理论,利用Midas Civil,建立三维模型,研究主桥稳定性,得出其前4阶屈曲模态下的稳定系数,均满足规范要求,故“中国结”式横撑不仅满足美观要求,也满足了稳定性要求。