斜靠式钢管混凝土拱桥稳定性分析

钢管混凝土拱桥结构稳定分析1 引言对于钢管混凝土拱桥结构稳定分析，目前都是采用有限元等数值计算方法。

从本构关系来考虑稳定问题可以分为弹性稳定与弹塑性稳定，而弹性稳定又从是否考虑几何非线性、初始缺陷等因素又分为线弹性稳定和非线性弹性稳定。

线弹性屈曲分析假设结构失稳状态为弹性小变形，结构内力与外荷载成比例关系，结构的稳定分析就转化为求特征值问题，求得最小特征值即为失稳临界荷载。

线性屈曲分析计算简便、概念清晰，但其理论基础是分支点稳定理论，只适用于理想结构。

由于施工环节会存在不可避免的施工误差，最后成形的拱轴线与设计的理想轴线会有偏离;此外，拱肋在结构自重及外荷载作用下，将产生较大的变形，稳定计算必须计入初始缺陷及大位移的影响，所以基于极值点失稳为理论基础的计入双重非线性的弹塑性稳定问题越来越来重要[1]。

本文对拱肋采用统一理论模型进行模拟，通过求解结构从加载开始到失稳全过程的结构响应，得到全过程荷载位移曲线[2]，从而探讨几何非线性和材料非线性对整体稳定性影响。

2 稳定理论及基于ANSYS的应用2.1第一类稳定分析第一类稳定可归结为如下特征方程：求解时，先对结构施加一个参考荷载，求出对应的几何刚度矩阵，然后代入（1）式，求解广义特征值，解出最小特征值，即可得出临界荷载。

且令为第一类稳定问题的稳定安全系数[3]。

在基于ANSYS进行线弹性屈曲分析中有以下几点需要注意：（1）线弹性屈曲稳定分析前要先进行线弹性静力分析，在此过程中必须要打开预应力效应开关，因为这样才能计入参考荷载所对应的几何刚度矩阵。

其对应的相应命令为：Pstres。

（2）第一类稳定问题在数学方法上可以化解成矩阵特征值的问题。

对于求高阶矩阵特征值，主要采用子空间迭代法（Subspace Method）和兰索斯分块法（Block Lanczos）[4]。

（3）特征值对所有的荷载都作相应的缩放。

如果某些荷载是常数，例如结构的自重，而其它荷载是可变的。

浅谈钢管混凝土拱桥的稳定性一、前言进入二十世纪以来，我国经济水平飞速发展，带动着建筑、文化、科技等诸多方面一同朝着更高的方向迈进。

在建筑领域，道路、桥梁等设施构成了经济发展的大动脉。

高原铁路、公路，大型、特大型桥梁的建成，不仅方便了普通老百姓的出行，更是为国民经济的发展的有力保障。

桥梁，起着承前启后，联通两地的作用。

尤其是在山间河谷、崇山峻岭之间，桥梁的作用更是毋庸置疑，不仅作为沟通的纽带，更具有颇高的美学价值，也是沿途一道亮丽的风景线。

而这其中又数拱桥的美学价值最高。

拱桥在我国具有非常悠久的历史，不管是在数量、形式，还是技术水平上，我国都有着很高的成就。

聪明智慧的祖先们已经将拱桥的技术应用的炉火纯青。

现存世界上最古老的拱桥就是我国的赵州桥，距今已经有1400多年的历史，采用了“敝肩式”结构，即在大拱的两肩上再辟小拱，这在当时是石拱桥结构中最先进的一种。

拱桥的分类有很多，单从所采用的原材料来说，包括：石拱桥、钢拱桥、钢筋混凝土拱桥和钢管混凝土拱桥[1]。

而在目前，值得每一个中国桥梁人骄傲的是，这四种拱桥的世界跨径纪录都在中国境内。

最长跨径为550米的上海卢浦钢拱桥。

在目前的设计施工中，混凝土拱桥应用最广。

我国的桥梁人也在设计施工过程中积累了丰富的经验，为后续混凝土拱桥的设计、施工奠定了扎实的基础。

二、钢管混凝土拱桥技术特点随着近年来各种新技术、新装备的不断出现，钢管混凝土拱桥技术以其独特的优点，逐渐获得了桥梁设计师和普通民众的青睐，该技术也发展迅速。

如图1所示，为苏州寒山（马运）大桥的实景照片。

钢管混凝土拱桥的特点包括：图1. 重庆巫山钢管混凝土拱桥1. 桥身曲线造型优美，线条流畅，张弛有度。

高贵优雅与气势宏伟合二为一。

2. 采用钢管和混凝土两种材料，共同施工。

拱肋的形状、样式设计灵活，因地制宜，在满足功用的前提下可以进行一些合理的改进设计，保证桥梁的功用和美学价值合二为一。

3. 由于特殊的桥体形状，对拱桥支脚处产生两个方向的力，一是竖直压力，二是水平推力。

斜靠式拱桥稳定性分析摘要：本文以一座跨径100米的斜靠式拱桥作为工程实例，采用通用程序ANSYS建立空间有限元模型，分别应用线弹性分析方法和考虑几何非线性的方法对该桥进行了成桥阶段的稳定分析。

关键词：斜靠式拱桥、稳定性、线弹性、几何非线性斜靠式拱桥是由两片竖直拱肋与两片斜靠拱肋两两形成组合拱肋，并与吊杆、桥面系形成的空间结构体系。

中间两片竖直拱肋为桥梁的主要承重结构，桥面开阔、畅通，每侧斜靠拱肋与相邻竖直拱肋构成人行桥的空间。

这种桥外形独特新颖，富有曲线美和力度感，在桥面宽度大于35m、跨径在40～150m之间的城市景观桥中，是一种颇有竞争力的结构形式。

[1] 由于两竖直主拱之间不设横向支撑，桥梁的横向刚度减弱会影响结构的整体稳定性，稳定性问题就成为斜靠式拱桥设计中的关键性问题。

本文的计算模型为一座跨径100m的斜靠式拱桥。

该桥在横桥向两主拱肋之间布置21.4m机动车道，主斜拱之间布置非机动车道和人行道，另外还设有弧形的观景平台，桥面宽度从主墩处50.4m变化至跨中处56.4m；桥梁全长111.16m，主拱肋截面为哑铃型，高度为2.7m，斜拱肋截面为圆形，直径1.2m，拱轴线均采用二次抛物线，矢跨比为1/4.5，斜拱倾角为25度，拱肋钢管采用厚14mm的A3钢板，钢管内灌注C40混凝土，主拱与斜拱之间各设11道一字型横撑，横撑顺桥向间隔6m，采用壁厚20mm矩形钢箱截面，主拱和斜拱吊索的纵桥向间距均为3m；梁体为混凝土结构，由系梁、横梁、纵梁、挑梁和桥面板组成。

1有限元模型该桥有限元模型的主拱肋、斜拱肋、横撑、系梁、横梁、纵梁均采用三维空间梁单元Beam188单元模拟，吊杆和桥面板分别采用linkl0单元和shell63单元来模拟。

[2]主拱支座由一个固定支座、一个双向滑动支座和两个单向滑动支座组成，斜拱拱脚处均设双向滑动支座。

[3]全桥共有节点1225个，单元2394个。

在考虑材料的非线性效应时，同时计入了主拱肋、斜拱肋和横撑的材料非线性。

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关键技术及稳定性分析Chapter 1 Introduction钢管混凝土拱桥是现代桥梁结构中的一种重要形式，近年来在各种道路和铁路工程中得到了广泛的应用。

钢管混凝土拱桥的优越性能在于它具备了钢管和混凝土桥梁的优点，能够在大跨径和高荷载条件下承载结构，同时有较高的抗震能力和耐久性。

钢管混凝土拱桥的施工过程是一个具有挑战性的任务，它需要高度的技术知识和经验。

本文将介绍钢管混凝土拱桥的施工关键技术及稳定性分析。

首先，将介绍钢管混凝土拱桥的基本结构和设计要求。

其次，将讨论钢管混凝土拱桥的施工序列和关键技术。

最后，将对钢管混凝土拱桥的稳定性进行分析，以确保钢管混凝土拱桥的安全和可靠性。

Chapter 2 钢管混凝土拱桥的基本结构和设计要求钢管混凝土拱桥是由钢管和混凝土构成的，它具有轻质、高强、高刚性和良好的抗震性。

在设计中需要满足一些特殊要求，以确保桥梁的可靠性和安全性。

2.1 结构形式钢管混凝土拱桥是由一组弧形钢管和连接的混凝土组成的拱桥。

桥面直接支撑在钢管上，钢管和桥面一起受力。

为了保证桥梁结构的平衡和稳定，弓形钢管在跨度方向上把力传递到钢柱和混凝土砌块上。

钢管混凝土拱桥桥面上一般铺设混凝土板或钢板。

2.2 设计要求设计钢管混凝土拱桥需要满足以下要求：（1）满足各种相应的载荷要求，如荷载、地震、温度和疲劳等要求。

（2）搭建时拱出形状应满足理论形状，应校核拱形。

（3）设计应满足桥梁的稳定性，避免拱桥的侧扭和侧向振荡等现象。

（4）充分考虑钢管的保护性能，防止钢管的腐蚀和老化，确保整个结构的耐久性。

Chapter 3 钢管混凝土拱桥的施工序列和关键技术钢管混凝土拱桥的施工编排顺序应遵循钢管——加固空间网壳结构——混凝土固化。

钢管的高强度和铺装混凝土能极大地保护钢管不受机械损坏，从而延长桥梁的使用寿命。

3.1 钢管安装在施工中，首先需要进行钢管的加固与安装。

钢管的加固和安装关系到桥面的质量和稳定性，是整个结构的基础。

斜靠式拱桥稳定性分析
斜靠式拱桥是由钢筋混凝土支撑组成的桥梁，斜靠式拱桥具有良好的空间性，在某些桥梁建设中用途非常广泛。

斜靠式拱桥的稳定性分析是必不可少的，以确保斜靠式拱桥的安全。

斜靠式拱桥的稳定性分析应从桥梁的几何形状、结构受力性能、抗侧力性能、抗剪性能以及抗震性能等方面着手，进行系统分析。

针对斜靠式拱桥的几何形状，可以采用计算机辅助设计程序进行结构几何设计、尺寸分析、稳定性分析等。

考虑斜靠式拱桥结构系统受到联合布管法力的影响，可以采用计算机有限元方法进行力学分析，以鉴定斜靠式拱桥的受力性能。

斜靠式拱桥的抗侧力性能和抗剪性能可以采用有限元分析来模拟，分析桥梁的构件及连接构件是否能够抗击外部力施加给桥梁的影响。

抗震性能分析需要考虑桥梁的静力特性、地震反应学特性和抗震装置等因素，并运用相应的分析方法，模拟该桥梁在地震事件中的响应情况，建立可行的加固方案。

综上所述，斜靠式拱桥稳定性分析应从桥梁几何形状、结构受力性能、抗侧力性能、抗剪性能和抗震性能等方面出发，采用计算机辅助设计程序、有限元方法和地震反应学分析技术等进行系统分析，根据桥梁对不同加载作用的反应情况和设计要求，提出有效的抗侧力、抗剪、抗震加固方案，以保证斜靠式拱桥的安全使用。

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。

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。