重庆交通大学 重庆市 400000
摘要：利用桥梁有限元软件MIDAS/civil建立三维空间有限元模型，对飞鸽型异形索塔斜拉桥进行有限元稳定性能分析研究。以贵州沿河乌江三桥为例，针对该特殊结构在施工过程中的力学行为，进行施工过程仿真，计算该桥的稳定特征值。通过有限元计算，全桥在施工过程中稳定性能够得到保证，但下塔柱受力较为危险，建议施加临时杆件增强斜拉桥桥塔施工过程中的刚度。
关键词：斜拉桥施工；异形索塔；稳定性分析
异形主塔斜拉桥造型优美，但空间力学性能复杂，且不同异形斜拉桥其主塔构造、拉索布置方式不同，导致受力体系也有所区别，所以其力学性能及稳定性有待于进一步研究。在这一背景下，本文依托贵州省沿河乌江三桥工程，系统开展贵州沿河乌江三桥异形索塔斜拉桥稳定性能的研究，了解异形索塔、主梁在成桥状态和施工阶段的稳定性发展趋势。
1 桥梁结构失稳的基本原理
1.1结构的失稳现象
桥梁结构的失稳可分为以下几个类型：
（1）个别构件的失稳，比如某些压杆的失稳和梁的侧倾。
（2）部分结构或整个结构的失稳，例如桥门架或整个拱桥的失稳。
（3）构件的局部失稳，例如组成压杆的板或板梁腹板的翘曲等，局部失稳常导致整个结构体系的失稳。当结构所受荷载达到某一数值时，若增加一个微小的增量，即稍有挠动，则结构的平衡位置将发生很大的改变，这种情况叫做结构的失稳或屈曲，相应的荷载称为屈曲荷载或临界荷。在达到临界荷载时，构件的刚度退化为0，从而无法保持稳定的平衡。所以失稳的过程本质上是压力使构件弯曲刚度减小，直到消失的过程。
1.2稳定问题的分类
桥梁稳定问题可分为两类：
第一类是平衡分支问题，即达到临界荷载时，除结构原来的平衡状态理论上仍然可能外，出现第二个平衡状态。所以称为平衡分岔失稳或分支点失稳，例如轴心受压的直杆。
第一类稳定问题的力学情况比较单纯、明确，因为在数学处理上是求解特征值，所以又称特征值屈曲。结构失稳时对应的荷载称为屈曲荷载，第二类是结构保持一个平衡状态，随着荷载的增加，在应力较大的区域出现塑性变形，结构的变形迅速增大，当荷载达到一定数值时，即使不再增加荷载，结构变形也自行迅速增大而导致使结构破坏，这个荷载实际上是结构的极限荷载，即临界荷载。这种失稳形式变形迅速增大，但不会出现新的平衡形式，即平衡状态不发生质变，也称极值点失稳。实际的结构稳定问题都属于第二类，例如偏心受压杆件。
1.3稳定基本理论
结构静力计算的方程可表示为
式中：[KD]——结构弹性刚度矩阵，对于杆系结构，反映其单元截面刚度EA和EI的影响。
[KG] ——几何刚度矩阵，也称为初始应力矩阵，对于杆系结构，与杆件的长度、位置和初始轴力有关。几何刚度矩阵使单元刚度发生了变化。主要是由于轴力在杆件弯曲时所产生的效应所致，当轴力是拉力吋，杆的刚度变大。当轴力是压力时，杆的刚度变小，
按上面的结构静力计算方程可以求得在{F}荷载作用时的位移δ ，如荷载不断增加。则结构位移不断增大，由于[KG]荷载大小有关，因而这时结构的力与位移不冉是线性关系，如{F}达到λcr{F}时，结构呈现随遇平衡状态，这就是所要求的临界荷载。
设{F}增加λ倍，则内力和几何刚度矩阵也增大λ倍，因而有：
式（1-4）就是计算稳定安全系数的特征方程式，若方程有n阶，则理论上存n个特征值λ1，
λ2，……，λn和对应的n个特征向量(失稳模态）。但工程上只有最小的特征值或最小的稳定安全系数才有实际意义，这时的特征值为λcr，临界荷载为λcr{F}。
2 沿河乌江三桥稳定分析
沿河乌江三桥主桥为（145 +160）m的异形主塔双索面固结体系预应力混凝土斜拉桥，桥面宽24.5m。索塔采用“飞鸽型”空间钢筋混凝土异型索塔，桥型布置图见图1。索塔全高138.5m，由下、中、上塔柱3个部分组成，3个部分高度分别为43.5m，31.08m，63.92m。索塔横桥向分为两幅塔，之间用横梁连接，两幅塔之间的净距为18m。单幅塔下塔柱向外倾斜逐渐变为左右两肢，中塔柱左右两肢逐渐向内倾斜。塔柱向上渐变过程中，左肢在下塔柱的向外倾度与中塔柱的向内倾度均大于右肢。左肢较宽，截面宽度为7.6m；右肢较窄，截面宽度为5m。塔肢在上塔柱底部合龙后，上塔柱沿不规则曲线变化到塔顶。
图1 沿河乌江三桥主桥桥型布置图（m）
运用MIDAS/civil施工阶段分析功能，各阶段内力、变形累加,对贵州沿河乌江三桥施工全过程的稳定性进行计算。限于文章篇幅，本文仅列出几个关键施工阶段的稳定性特征值计算结果（如表1所示）。有限元模型中拟采用的荷载为：桥梁自重+斜拉索索力+预应力+结构二期+挂篮施工荷载。
表1 沿河乌江三桥主要关键施工阶段特征值
由表1可知：在主塔施工过程中，特征值总体呈现逐渐变小的趋势，在索塔施工完成之后，结构总的刚度又逐渐增大，特征值有所提高。在全桥施工过程中，最小的特征值为8.336，其对应的施工阶段为异形索塔施工最大单悬臂状态（如下图所示）此时结构仍处于安全状态。
全桥施工过程中的状态如图2~图5所示：
图2 主塔最大悬臂状态图
图3 索塔施工完成
图5 全桥主梁合龙并施工完二期
从图1可以看出:塔在施工过程中刚度逐渐增大，,主梁在施工过程中承受的压应力组件正大，出现主梁失稳。
3 结语
通过对沿河乌江三桥施工全过程的稳定性进行计算，其计算结果表明在该异形索塔斜拉桥在全桥施工过程中的稳定性可以保证。从施工期全桥失稳模态来看。该桥最有可能出现失稳的阶段是主塔最大悬臂阶段,施工时要注意塔柱的稳定性，可以施加临时横撑是塔肢整体受力，减小失稳的可能性。
参考文献
[1]项海帆.高等桥梁结构理论[ M].北京:人民交通出版社,2001.
[2]ANSYS theory reference[Z].SAS IP Inc,1998.
[3]刘昀.大跨度PC斜拉桥施工过程受力特性与稳定性分析[D].长沙:长沙理工大学,2005.
[4]卫星,强士中.利用ANSYS实现斜拉桥非线性分析[J].四川建筑科学研究,2003,29(4).
[5]赵雷,杨兴旺.南京长江二桥斜拉桥施工过程稳定性分析[J].公路交通科技,2005,22(7).
[6]杨兴旺.大跨度斜拉桥施工全过程非线性行为研究[D].成都:西南交通大学,2007.
论文作者:包发文
论文发表刊物:《防护工程》2018年第35期
论文发表时间:2019/4/4
标签：荷载论文; 结构论文; 斜拉桥论文; 乌江论文; 刚度论文; 特征值论文; 沿河论文; 《防护工程》2018年第35期论文;