维普资讯 http://www.cqvip.com Ｈｉ公 黟 与 汽 运 第４期 １２６ ｇｈｗａｙｓ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ２０ｏｌ６年 月 大跨径斜拉桥各阶段稳定性分析 沈东强 ，崔国宏 ，杨小林 ，吴 柳。 （１．铁道部第四勘察设计院，湖北武汉４３００６３；２．中铁十五局集团第五工程有限公司．河南洛阳４７１００２； ３．广东中人集团建设有限公司，广东广州 ５１０５１５） 摘 要：采用有限元法对大跨径斜拉桥的结构稳定性进行了计算分析，并以北盘江大桥为例， 对各施工阶段不同工况下的结构稳定性进行了计算分析，结果表明，该桥具有足够的稳定性。 关键词：桥梁；斜拉桥；有限元；稳定性 中图分类号：Ｕ４４８．２７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—２６６８（２００６）０４—０１２６—０３ 随着斜拉桥跨径与塔高的不断增大，其施工和 弹性索，规格分别为３７９１５．２４ ｍｍ、４３９１５．２４ ｍｍ。 成桥过程中的稳定性成为设计的主要控制因素之 ２２ ５ｏ０ ２２ ５００ 一。我国斜拉桥设计规范要求对索塔和主梁进行稳 ４６ ５００ 至措卒． 一 定性分析，稳定安全系数不得小于４。结构稳定安 全系数Ｊ＝【一Ｐ ／Ｐ （Ｐ 为结构的极限承载力，Ｐｒ为 结构恒载与活载之和）。实际上Ｊ＝【为结构达到极限 性索ＺＮＣ２９ ｌ ０ 弹性索ＳＪＣ２９ 承载力时Ｐ 的加载倍数。以下结合北盘江大桥主 桥结构的稳定性，对大跨径斜拉桥各阶段的稳定性 进行分析。 围１北盘江大桥立面布置围（单位：ｃｍ） １ 北盘江大桥概况 ２ 稳定性分析 北盘江大桥主跨为４６５ ｍ，塔高分别为２４０ ｍ、 采用ＭＩＤＡＳ大型通用程序，依据有限单元法 １７０ ｍ，为超大跨度、高塔斜拉桥。大桥初步设计方 对桥梁结构进行空间稳定性分析。各阶段的计算模 案为主桥采用３４．３ ｍ－＋－１９０．７ ｍ－＋－４６５ ｍ＋１９０．７ ｍ 型中，主梁、塔、墩采用梁单元建模，斜拉索采用桁架 ＋３４．３ ｍ预应力砼双塔斜拉桥，全长９１５ ｍ，立面 单元建模（如图２所示）。 布置见图Ｉ。主塔为钢筋砼Ｈ形塔。主跨主梁采用 Ｃ５０预应力砼７ｃ形梁，边跨为Ｃ５０预应力砼箱梁。 斜拉索共Ｉ１２对，对称布置，塔每边各２８对。斜拉 索共分８种规格：３７９１５．２４ ｍｍ，４３９１５．２４ ｍｍ， ４７９１５．２４ ｍｍ，５５９１５．２４ ｍｍ，６１９１５．２４ ｍｍ， ６７９１５．２４ ｒａｍ，７３９１５．２４ ｍｍ，８１９１５．２４ ｍｍ。为了 控制结构纵向位移，在塔与主梁之间分别安装４对 图２全桥空间有限元模型 所提出的拉索修正模型分析方法具有较高的精度， 出版社，１９８３． 可应用于实际分析。 ［３］ 杜成斌，杨海霞，赵光恒．利用实测特征值校正结构劲 度矩阵［Ｊ］．振动与冲击，２０００，１９（４）． 参考文献： ［４］王修勇，何旭辉，陈政清．斜拉索一阻尼器系统的动力 ［１］张景绘．动力学系统建模［Ｍ］．北京：国防工业出版 特性分析［Ｊ］．长沙铁道学院学报，２００１，１９（４）． 社，２０００． ［２］郑兆昌．复杂结构模态综合技术［Ｍ］．北京：清华大学 收稿日期：２００６—０４—１７ 维普资讯 http://www.cqvip.com 公总第１１５期 ．Ｈｉｇｈｗａｙｓ＆Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ 路 与 汽 运 １２７ ２．１高塔稳定性分析 高塔竣工后所承受的荷载有自重、纵向风载和 横向风载。基本风压Ｗ。：４００ Ｐａ，桥墩横向风压ｗ —Ｋ１Ｋ２Ｋ３Ｗｏ一１．０ Ｘ（１．０～１．５６）Ｘ １．３×４００— ５２０￣８１１．２ Ｐａ（随墩高变化），式中：Ｋ１为风载体形 系数；Ｋ。为风压高度变化系数；Ｋ。为地形、地理条 件系数。 桥墩纵向风压ｑ＝０．７Ｗ＝０．７×（５２０～８１１．２） 回 图３■塔加教形式及塔、墩饿面形式 ：３６４￣５６７．８４ Ｐａ（随墩高变化）。 选取有代表性的４ 塔（高２４０ ｍ）开展自体稳 定性分析。将其离散为１２１个梁单元、１２５个节点， 结构自重在单元内计人，其他荷载以分布荷载或节 点荷载的方式施加在对应单元或节点上。高塔加载 形式及墩身的截面形式如图３所示。 ４ 塔的自身稳定性计算结果见表１。从表１可 见：①高塔失稳模态为顺桥向失稳（见图４）；②４ 塔的稳定特征值大于４，说明该塔在施工阶段的稳 定性满足要求。由于主桥其他桥塔的高度和承受的 荷载均小于４ 塔，因此，主桥在独塔施工阶段的稳 定性满足要求。 裹１ ４ 塔自体稳定性计算结果（墩底截面） 注：。一”表示值很小，可忽略，下同 工，并对悬浇挂篮正常和突然跌落两种情况进行稳 定性分析。 分４种工况分析结构稳定性：工况一（挂篮正 常）：边跨侧荷载为０～２０号标准梁段自重（考虑 一厂ｌ Ｊ ５ 的超重）＋挂篮＋砼压重（最大单伸臂阶段）＋ 斜拉索初张力；中跨侧为０＂－＇２０号标准梁段重（考虑 ＋５％自重）＋３０ 的２１号标准梁段重＋挂篮＋斜 图４ ４ 塔失稳模态 ２．２最大双（单ｌ伸臂施工状态下结构稳定性分析 拉索初张力。工况二（挂篮异常）；边跨侧荷载为０ ～同样，选取有代表性的４ 塔进行施工阶段的稳 ２０号标准梁段自重（考虑一５％的超重）＋砼压重 定性分析。将其结构离散为３８２个节点、２８５个梁 单元、８４个桁架单元。将其结构自重在单元内计 人，其他荷载以分布荷载或节点荷载方式施加。 ２．２．１ 工 况 （最大单伸臂阶段）＋斜拉索初张力；中跨侧为０～ ２Ｏ号标准梁段重（考虑＋５％自重）＋３０％的２１号 标准梁段重＋挂篮（冲击系数＝２）＋斜拉索初张 力。工况三：工况一＋风荷载。工况四：工况二＋风 荷载。 最大双（单）伸臂施工状态下结构所受荷载主要 有恒载、施工荷载、块段圬工施工误差、风荷载和斜 ２．２．２稳定性计算结果及分析 分别计算最不利工况三与四下４ 塔最大双 （单）伸臂施工阶段的稳定性，结果见表２、３。从表２ ～拉索初张力等。考虑到对称块段浇注砼速度允许最 大误差为３０ 及两臂自重相差５ ，采用挂篮悬臂施 ３可见：①各工况下的稳定特征值均大于４，说明 表２ ４ 塔量大双伸臂施工阶段稳定性计算结果（墩底截面） 维普资讯 http://www.cqvip.com １２８ 公 路 与 汽 运 Ｈｉｇｈｗａｙｓ＆Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ２００６年８月 第４期 最大悬臂状态时结构稳定性满足要求。挂篮异常时 的稳定特征值略小于挂篮正常时，施工中需注意。 因主桥其他桥墩的高度均小于４ 塔，因此，主桥在 最大双（单）伸臂施工阶段的稳定性满足要求。② 失稳模态均为纵向（顺桥向）侧倾失稳（见图５）。 Ｌ 根据《公路工程技术标准》，本研究中主要考虑以下两 种工况：工况一为自重＋二期恒载＋斜拉索初张力＋ 砼压重。工况二为自重＋二期恒载＋车道荷载＋人 群荷载＋纵向风荷载＋斜拉索初张力＋砼压重。 全桥车道荷载按公路一Ｉ级车道荷载加载。车 道荷载的均布荷载标准值ｑｔ＝１０．５ ｋＮ／ｍ；集中荷 载标准值Ｐ＾＝３６０ ｋＮ；二期恒载Ｑ一９８．０６ ｋＮ／ｍ￣ 人群荷载ｑ＝３．０ ｋＮ／ｍ。；纵向风荷载同前。 进行全桥稳定性分析时，研究重点仍然是分析 高塔（墩）的稳定性问题。墩顶轴力是影响桥墩失稳 的重要因素，故进行车道荷载布置时，以产生墩顶最 大轴力为原则来确定最不利影响线。由于工况一的 图５ ４ 塔最大双悬臂状态结构失稳模态 不利情况远小于工况二，故不作控制计算。工况二 时，各墩顶在相应车道荷载最不利加载方式下的最 大轴力及全桥在不同车道加载方式下的稳定性计算 结果见表４。 ２．３全桥稳定性分析 高墩大跨连续刚构桥成桥状态所受的荷载有结 构自重、二期恒载、人群荷载、风荷载和车道荷载等。 表４各墩顶在工况二时的最大内力及全桥稳定性计算结果 从表４可见，稳定特征值均大于４，满足结构稳 定性要求。失稳模态为中跨＋边跨一阶主梁竖向 反对称失稳＋塔纵向侧倾（见图６）。 定安全系数稍小于挂篮正常时的安全系数，在施工 过程中要注意。 ３）荷载作用形式对结构稳定性有较大影响，设 计时应当全面考虑。 ’ Ｔｒ 一厂’ ｌ ｛ ｒ 参考文献： ［１３李存权．结构稳定和稳定内力ＦＭ］．北京：人民交通出 版社，１９９９． ［２］ｓ．ｓ．劳尔．工程中的有限元法ＦＭ］．傅子智译．北京：科 学出版社，１９９１． ［３］ 同济大学土木工程防灾国家重点实验室．杭州下沙大 图６全桥第一阶失稳模态 桥抗风试验研究［Ｒ１．上海：同济大学，２０００． ［４］李国豪．桥梁结构稳定与振动［Ｍ］．北京：中国铁道出 ３ 结 论 １）北盘江大桥各阶段结构稳定安全系数均大 于４，满足规范对桥梁结构稳定性的要求。 版社。１９９２． ［５］《公路桥梁抗风设计指南》编写组．公路桥梁抗风设计 指南［Ｍ］．北京：人民交通出版社。１９９６． ２）在最大双伸臂施工状态下，挂篮异常时的稳 收稿日期：２００６—０２—２２
