大跨径拱桥2种失稳状态浅析

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1、公路交通技术2013年8月第4期TechnologyofHighwayandTransportAug．2013No．4大跨径拱桥2种失稳状态浅析林永明(贵州省公路勘察设计院，贵阳55008)摘要：山区公路深V型河谷地貌大跨径拱桥的稳定性计算至关重要。稳定性计算分为第1类稳定和第2类稳定，都与通常定义的强度概念完全不同。通过理论分析并基于工程实例就大跨径拱桥的2类失稳状态进行探讨和分析。关键词：桥梁工程；稳定；失稳文章编号：1009—6477(2013)04—0110—03中图分类号：U448．22文献标识码：BA

2、nalysisforTwoStatesofInstabilityofLarge—spanArchBridgesLINYongming李国豪先生曾在《桥梁结构的稳定与振动》一及非线性发散等问题，因此实际的受力分析并不为书中指出：桥梁结构的稳定性是关系其安全与经济通常的设计和施工控制所掌握。的主要问题之一⋯，此问题与结构的强度问题具有同等重要的意义，其中拱桥的稳定性问题显得尤为1拱的稳定理论突出。1884-1910年，国外Levy、Timoshenko等学者拱的失稳状态是以拱的失稳标准来判定的，其就已经推导出了均匀受

3、压状态下的圆弧拱临界荷中包括第1类失稳和第2类失稳的计算。载，奠定了拱的平面屈曲理论基础。第1类失稳状态对应的是分支点失稳现象，也1918-1940年，对拱的屈曲理论研究从圆弧拱就是理想中心压杆的失稳，临界力需由荷载一挠度进入到了抛物线拱的讨论及计算，欧美学者开始就曲线找出而不是用其他准则确定，所以失稳的判别两铰扁圆拱的“跳跃”问题及竖向均布荷载下抛物准则是针对曲线图中分支点的失稳获得J。拱桥的线拱的屈曲问题进行了推导及应用，这标志着拱的稳定状态被破坏后结构会转向另外一种平衡状态，面内屈曲理论开始得到实际运用。1

4、948年，这类稳定是基于假设结构失稳时处于小变形范围来Chatterjee首先建立了拱结构极限承载力分析的挠确定，其稳定状态计算简便，概念也较清晰。早期拱度理论。的屈曲研究都是针对此类稳定状态的理想弹性结构拱桥稳定性有限元分析中，若基于经典弹性理进行研究，由于受到计算条件的限制，所建立的分析论，则属于第1类稳定分析；若基于非线性挠度理理论和实用计算方法都包含了许多假定和近似。论，则属于第2类稳定分析。随着计算机的日益发第2类失稳性研究属于极值点失稳研究，可以展和广泛应用，非线性有限元分析方法也不断得到理解为结构的

5、极限荷载概念，是结构的大变形研究。发展，结构几何和材料非线性的分析方法得到综合当拱桥发生此类失稳时，结构丧失了承载能力，此考虑，且被逐渐运用到拱结构极限承载力计算中，并时，荷载达到临界值时即使不继续增加荷载甚至减获得了与试验值较为吻合的结果，表明拱的稳定研少荷载，变形也会自行增加J。究已从压屈理论进入到压溃理论。拱在竖向荷载作拱桥第1类失稳状态是一种理想的纯压模型，用下的面内失稳形态示意如图1所示。计算已较为成熟，此类稳定结构的计算在上世纪40年代初就已被掌握；而第2类失稳计算属于压溃荷2拱的横向失稳分析载问题，

6、是拱桥的实际状态，涉及到的几乎都是比较拱是一种主要承受压力的曲杆体系，当荷载达复杂的非线性计算。由于涉及到特征值的屈曲荷载到一定值时，可能发生面内或面外失稳。无铰拱和收稿日期：2013—03—11作者简介：林永明(1962一)，男，贵州省遵义市人，本科，高工2013年第4期林永明：大跨径拱桥2种失稳状态浅析l11算软件也不少，如GQJS、BSAS、MIDAS、WISEPLUS等。拱桥的第1类稳定状态可以通过理想的弹性模型很容易地得到计算结果，而对于第2类稳定分析，(a)无铰拱利用计算机程序可对结构进行稳定分析。首

7、先对应于某种荷载工况或荷载组合下的计算特征值屈曲系数作为稳定的初始特征值系数，将该值作为后继非线性荷载的分析因子，并采用系数“逼近法则”将该屈曲变形系数(因子)作为初始系数加入原结构，同(b)2铰拱时要考虑材料的非线性，结构的非线性及初始缺陷，继续迭代计算，直到最后该特征值接近1．0，此时多一：、、次迭代的特征值的乘积即为第2类稳定安全系数。，＼、、计算机将拱桥在该系数状态下划分为若干阶段失稳状态，根据经验值判定一般可取第1阶失稳模态系数作为最终的稳定安全系数。(c)3铰拱3主拱圈稳定性验算条件及实例图1拱的面内

8、失稳形态示意拱是以受压为主的结构，若其具有下列特征可不验算其稳定性。2铰拱的弹性屈曲形式是反对称的，3铰拱的弹性屈1)小跨径实腹式拱桥。曲形式受矢跨比影响。当拱发生横向失稳时，二维2)拱上建筑完成后再卸落拱架的桥，不验算纵拱轴线演变成为1条空间曲线。当失跨比等于向稳定性。0．12或更小时，用圆弧拱代替抛物线拱计算侧倾临3)主拱圈宽度大于跨径的1／20时，不验算横界荷载，对