缆风对钢管混凝土拱桥施工稳定性的影响

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发布时间：2021-10-07

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缆风对钢管混凝土拱桥施工稳定性的影响
高宝梅
(中交二公局第一工程有限公司，湖北武汉 430019)
摘要：该文对目前大跨度钢管混凝土拱桥考虑材料非线性的各种分析方法进行了概述，结合一工程实例，采用纤维单元模
型探讨了几何和材料双重非线性，尤其是后者对拱桥施丁稳定性的影响。同时，文章还对缆风在施工过程中对拱肋稳定性的
有利影响、缆风设置、缆风初张力等问题作了定量分析。
关键词：钢管混凝土拱桥；非线性；稳定；缆风；纤维单元模型；施工；影响
中图分类号：U448．22 文献标识码：A 文章编号：1009—7716(2011)01—0083—03
0 引言
目前，钢管混凝土拱桥整体稳定分析以弹性
理论为主。在工程实践中，稳定安全系数的确定主
要依靠经验，尚没有统一的定义和取值标准。大跨
度钢管混凝土拱桥由于跨径较大，宽跨比较小，其
一阶失稳形态一般是面外半波失稳。面外失稳大
部分发生在弹塑性变形范围之内，按弹性理论计
算的拱桥稳定安全系数往往大大高于实际值。因
此，必须考虑几何和材料非线性影响，按双重非线
性理论来分析其稳定性和极限承载力。目前，国内
外所采用的钢管混凝土材料非线性模型尚无法全
面地反映结构的全过程受力性能，但相对而言，纤
维单元模型更接近于钢管混凝土结构的实际行
为。本文在介绍大跨度钢管混凝土拱桥材料模型
的基础上，结合工程实例并引用纤维单元模型，着
重对施工阶段钢管混凝土拱桥的非线性稳定性进
行分析，探讨双重非线性尤其是材料非线性对拱
桥稳定性的影响，同时对考虑缆风结构的非线性
稳定问题进行分析。
1 考虑缆风结构的非线性稳定问题
在大跨度拱桥施工中，缆风是防止结构失稳
坍塌的重要安全设施。若缆风设置不当，或过早拆
除，就有可能造成拱桥破坏甚至倒塌。例如四川某
钢筋混凝土拱桥就曾因在施工过程中过早拆除缆
风，在突遇大风袭击时，塔架发生坍塌而使桥梁破
坏。然而，目前对缆风的设置还往往基于工程经
验，缺乏充足的理论指导。对缆风这类索构件，其
特点是只能承受拉力，索的自重对结构平衡影响
不可忽略。因此，用拉压杆模拟缆风会引起误差。
对于一任意挠度的索，可以把它离散成一系列相
收稿日期：2010—11—24
作者简介：高宝梅(1974一)，女，陕西宝鸡人，工程师，从事道
路土建工程施丁管理工作。
互连接的索单元，经离散后，每一索单元的矢跨比
比原来整索的矢跨比小，从而可以采用小挠度理
论来分析各个索单元。在小位移、高应力条件下，
也可以用直杆代替缆风，索的垂度效应采用 Ernst
公式对弹性模量进行修正…。在工程实例分析中，
可将扣索、缆风和钢管混凝土组成的结构视为索
梁结构进行稳定性计算，即钢管混凝土结构采用
纤维单元模型，索取为空间不受压的杆单元，并用
Ernst公式对弹性模量进行修正；考虑在每级荷载
下钢管混凝土结构的双重非线性影响，采用混合
法求解极限荷载和非线性稳定系数。
2 失稳特征判别及稳定安全系数
2．1 失稳特征判别
钢管混凝土拱结构失稳为空间失稳，其面内、
面外均有位移，可根据拱肋变形及拱顶荷载一位
移关系曲线区分拱肋是面内失稳还是面外失稳。
文献【2】根据节点的面内竖向挠度变化率与侧向
位移变化率的相对大小来判别失稳形式。文献[3】
则认为，若拱顶的面内变形与荷载呈非线性，面外
为线性，则判定为面内失稳；反之为面外失稳。比
较而言，后一判别方法在概念上更为明确，判别方
法也简单易行，建议计算时采用。
2．2 稳定安全系数
经典的拱结构稳定安全系数往往基于线弹性
理论，而对钢管混凝土拱桥的稳定安全系数目前
尚没有统一的定义和取值标准。工程中，一般认为
线弹性稳定安全系数值不应小于 4~5，而考虑非
线性影响后的稳定安全系数不应小于 2。文献【4】
将稳定安全系数定义为结构极限承载力与恒载
和外加荷载之和的比值，即 K= ({ }+A{Po})／
({ }+{ })。其中 { }为结构所承担的恒载，
{ }为该结构所受的实际施工荷载，A为结构失
稳前可承受的实际施工荷载的倍数。这种方法在
{ }和 { }方向相同时可行，但若两者方向不一