鋼管混凝土拱橋穩(wěn)定性的計算理論簡述

鋼管混凝土拱橋穩(wěn)定性的計算理論簡述

摘要：

本文針對鋼管混凝土拱橋的穩(wěn)定性問題，從理論計算的角度對其進行了探討。首先簡述了鋼管混凝土拱橋的構(gòu)造特點和受力情況，然后介紹了鋼管混凝土拱橋的設(shè)計原則和設(shè)計計算方法。接著闡述了鋼管混凝土圓形拱橋的靜力分析方法，并針對橋墩的穩(wěn)定性進行了數(shù)值模擬計算。最后對鋼管混凝土拱橋的穩(wěn)定性進行了評估，并提出了相應(yīng)的加固措施。

關(guān)鍵字：

鋼管混凝土拱橋，穩(wěn)定性，設(shè)計原則，設(shè)計計算方法，數(shù)值分析，加固措施。

1.引言

鋼管混凝土拱橋是一種新型的橋梁結(jié)構(gòu)，具有承載力大、剛度好、耐久性強、施工方便等優(yōu)點，特別是在跨度較大的工程中表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)越性。然而在鋼管混凝土拱橋的設(shè)計和施工中，其穩(wěn)定性問題一直是困擾工程師們的難題。本文旨在探討鋼管混凝土拱橋的穩(wěn)定性問題和相應(yīng)的解決方法，為相關(guān)工程實踐提供參考。

2.鋼管混凝土拱橋的構(gòu)造特點和受力情況

鋼管混凝土拱橋是一種以鋼管為骨架、混凝土為填充物的橋梁結(jié)構(gòu)。其構(gòu)造特點主要包括以下幾方面：

（1）柱與拱采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，兩者通過錨固套筒連接起來，形成整體結(jié)構(gòu)；

（2）拱段分布順應(yīng)曲線，通過節(jié)點連接完成整個結(jié)構(gòu)；

（3）橫向變位通過懸臂梁與拱頂連接傳遞；

（4）橋面鋪裝采用鋼筋混凝土鋪裝層覆蓋瀝青路面。

鋼管混凝土拱橋所受的荷載作用主要分為水平荷載和垂直荷載兩種。水平荷載包括風(fēng)荷載和地震荷載，作用于橋梁的平面上。垂直荷載包括自重和交通荷載，作用于橋梁的豎直方向上。在橋梁的使用過程中，還可能出現(xiàn)冰雪荷載、水流荷載等非常規(guī)荷載。

3.鋼管混凝土拱橋的設(shè)計原則和設(shè)計計算方法

（1）設(shè)計原則

鋼管混凝土拱橋的設(shè)計應(yīng)符合以下原則：

①橋面寬度應(yīng)符合交通規(guī)定，并滿足行車安全和通行舒適性要求；

②拱形應(yīng)滿足靜力平衡和剛度要求；

③橋墩應(yīng)滿足穩(wěn)定性和承載能力要求；

④施工應(yīng)符合安全、經(jīng)濟、高效的要求。

（2）設(shè)計計算方法

鋼管混凝土拱橋的設(shè)計計算方法應(yīng)分為靜力分析和動力分析兩部分。其中，靜力分析是基礎(chǔ)性的方法，它以荷載分析為基礎(chǔ)，采用彎矩法、力矩法等靜力學(xué)方法進行分析計算；動力分析是在靜力分析的基礎(chǔ)上，進一步考慮橋梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)特性，包括自由振動、強迫振動和響應(yīng)譜分析等方法。

由于鋼管混凝土拱橋的其特殊的構(gòu)造和受力情況，鋼管混凝土拱橋的靜力分析一般采用彎矩法。其中，鋼管混凝土圓形拱橋的靜力分析方法有兩種：一種是分布荷載作用下的彎矩法，另一種是集中荷載作用下的彎矩法。在進行靜力分析計算時，先確定拱的內(nèi)力分布和大小，再根據(jù)內(nèi)力大小確定鋼管混凝土拱橋的截面尺寸和材料強度等品質(zhì)。

4.鋼管混凝土圓形拱橋的靜力分析方法

（1）分布荷載作用下的彎矩法

當鋼管混凝土圓形拱橋受到分布荷載作用時，彎矩的分布與荷載的分布有關(guān)。假設(shè)荷載的分布為q(x)，在跨度上的彎矩分布為M(x)，則有：

M(x)=-\int_{0}^{x}q(x')\cdot(x-x')dx'

其中，負號表示彎矩方向與荷載作用方向相反。荷載作用下的鋼管混凝土圓形拱橋的內(nèi)力分布如圖1所示。

（2）集中荷載作用下的彎矩法

當鋼管混凝土圓形拱橋受到集中荷載作用時，在跨度上產(chǎn)生一個彎矩，其大小與荷載大小和位置有關(guān)。假設(shè)荷載在圓心處，根據(jù)彎矩方程可得：

M=-P\cdot\frac{l}{2}

其中，P為荷載大小，l為拱的跨度。荷載作用下的鋼管混凝土圓形拱橋的內(nèi)力分布如圖2所示。

（3）橋墩的穩(wěn)定性分析

在鋼管混凝土拱橋的設(shè)計和施工中，橋墩的穩(wěn)定性問題一直備受關(guān)注。橋墩的穩(wěn)定性主要受到以下因素的影響：土層的質(zhì)量和厚度、橋墩的形狀和尺寸、橋墩與土地的接觸情況，以及地震荷載等。

為了評估橋墩的穩(wěn)定性，可以采用數(shù)值模擬計算的方法。模型建立過程包括選擇合適的有限元模型，對橋墩及其周圍的土層進行三維建模，然后用相應(yīng)的有限元軟件進行數(shù)值模擬計算，得出相應(yīng)的位移、應(yīng)力和變形等結(jié)果。模型計算策略包括建立初始模型、設(shè)定邊界條件、確定荷載、進行計算分析等過程。在得出計算結(jié)果后，結(jié)合橋墩的實際情況進行評估，并提出相應(yīng)的加固措施。

5.結(jié)論

鋼管混凝土拱橋是一種新型的橋梁結(jié)構(gòu)，具有多種優(yōu)點，但其穩(wěn)定性問題在設(shè)計和施工中始終備受關(guān)注。本文分析了鋼管混凝土拱橋的構(gòu)造特點和受力情況，介紹了鋼管混凝土拱橋的設(shè)計原則和設(shè)計計算方法，闡述了鋼管混凝土圓形拱橋的靜力分析方法，并對橋墩的穩(wěn)定