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钢桁桥的稳定性相关问题分析 |
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摘要：随着我国公路桥梁事业不断发展，钢桁桥应用越来越广泛，但是其稳定性也显得尤为重要。本文重点对于钢桁桥的稳定性相关问题进行分析，在介绍钢桁桥稳定基本情况基础上，还针对当前稳定性的研究方法进行讨论。
关键词：钢桁桥，稳定性，承载能力，判定方法
1引言
钢桥由于采用高强度的材料而且易于加工，因此构件重量轻，运输、架设方便，是大跨径桥梁的理想材料，目前各类体系桥梁中，其最大跨径的桥梁皆为钢桥。在要求工期短，施工干扰小的桥梁中，钢桥也是很好的选择。钢桥的主要优点是：可以实现完全工业化的制造和拼装；上、下部结构可以同时施工，能够加快施工进度；由于钢材具有匀质性、构件轻的特点，用悬臂法施工比较方便；可以较方便的跨越大跨，节省施工时问和费用。而钢桁桥除了具有钢桥的优点之外还有其自身独特的优点：可以上、下双层通车，能够满足公、铁两用及大交通量的需求；构件预制拼装速度快，经济效益显著等[1,2]。而钢桁桥的稳定性的研究工作较少，本文主要讨论了钢桁桥的稳定性相关问题。
2钢桁桥的稳定性研究
世界上曾经有过不少桥梁因失稳而丧失承载能力的事故。例如：俄罗斯的克夫达敞开式桥，于1875年因上弦压杆失稳而引起全桥破坏；1891年瑞士一座长42m的桥，当列车通过时，因结构失稳而坍塌，造成200多人死亡；加拿大的魁北克(Quebec)桥于1907年在架设过程中由于悬臂端下弦杆的腹板翘曲而引起严重破坏事故，并且该桥在1916年9月11开园施工中的问题二度坍塌；前苏联的莫兹尔桥，于1925年试车时由于压杆失稳而发生事故；澳大利亚墨尔本附近的西门(WestGate)桥，于1970年在架设拼拢整孔左右两半(截面)钢箱梁时，上翼板在跨中央失稳，导致112m的整体倒塌。近年出现的事故如1998年9月，浙江宁波招宝山斜拉桥在施工时主梁断裂，其中一个主要原因就是箱梁的底板过薄，在施工荷载作用下主梁被压溃。
2.1稳定的概念与分类
桥梁结构的稳定性是关系其安全与经济的主要问题之一，它与强度问题具有同等重要的意义。由于大跨度桥梁日盏广泛地采用高强材料和薄壁结构，稳定问题变得更为重要。桥梁结构的失稳现象可以分为以下几类[3]：(1)个别构件的失稳，例如压杆的失稳和梁的侧倾；(2)部分结构或整个结构的失稳；(3)构件的局部失稳，而局部失稳常常会导致整个结构体系的失稳。
严格来说，任何理想弹性构件或结构体系存在受压区时都存在失稳的可能性。但是，钢结构的稳定问题表现得远比钢筋混凝土结构突出，这有两个原因：首先，依据强度来设计钢结构和混凝土结构时，在相同边晃条件和荷载作用下，钢结构构件的截面尺寸要小于钢筋混凝土构件的截面尺寸，抵抗失稳的能力要小于混凝土结构。举例来说，设计相同长度的轴心受压柱，钢材强度为混凝土的十倍，弹性模量也为混凝土的十倍左右，则根据强度设计出来的钢柱断面为钢筋混凝土柱的十分之一，抗弯惯性矩则为百分之一，那么钢柱的肼值为钢筋混凝土柱的十分之一左右。尽管可以考虑将钢柱的断面设计得开展一些，钢柱的El值也仍然小于钢筋混凝土柱的E1值，因此钢柱的屈曲荷载远小于钢筋混凝土柱。
其次，由于钢结构构件主要由板材构成，宽而薄的板材是很容易发生局部失稳的，而钢筋混凝土构件则主要是实心截面，不存在局部稳定问题。
结构失稳不仅与材料特性有关，而且与外力作用状态和结构及其构件的几何形状有关。在土建工程结构中，根据工程结构失稳时平衡状态的变化特征，稳定问题可分为两类：1、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，例如轴心受压的直杆。2、极值点失稳问题。即结构保持一个平衡状态，随着荷载的增加在应力比较大的区域出现塑性变形，当荷载达到一定数值时，即使不再增加，结构变形也自行迅速的增大而至于使结构破坏。例如偏心受压的杆。从力学分析角度看，分析结构第二类稳定性，就是通过不断求解计入几何非线性和材料非线性的结构平衡方程，寻求结构极限荷载的过程。
钢桁桥的极限承载能力破坏是伴随着结构的材料非线性和几何何非线性一起发生的。由于结构构件存在制作安装误差、材料缺陷、荷载施力点偏差等原因，工程上的第一类稳定问题一般是不存在的。但是因为第一类稳定问题在力学上比较单纯明确，在数学上作为求特征值问题也比较容易处理，而它的临界荷载又近似地代表相应的第二类稳定的上限，并且第一类稳定问题具有突然性，特别是对于钢桁桥的设计，有较大的参考价值，所以目前仍然有一定的实际意义。工程中通常以第一类稳定问题的计算结果作为设计的依据。为了保证安全，一般对于钢桁桥的稳定系数按大于4处理。
2.2结构稳定问题的研究方法
根据对稳定问题的不同理解和分析判定方法，我们可以得出不同的计算方法，研究压杆屈曲稳定问题常用的方法有静力平衡法(Eular方法)、能量法(Timoshenk方法)、缺陷法和振动法。静力平衡法是从平衡状态来研究压杆屈曲特征的，研究荷载达到多大时，弹性系统可以发生不同的平衡状态，其实质是求解弹性系统的平衡路径(曲线)的分支点所对应的荷载值(临界荷载)。能量法则是求弹性系统的总势能不再是正定时的荷载值。缺陷法认为完善而无缺陷的理想中心受压直杆是不存在的。由于缺陷的影响，杆件开始受力时即产生弯曲变形，其值要视缺陷程度而定。在一般条件下缺陷总是很小的，弯曲变形并不显著，只是当荷载接近完善系统的临界值时，变形才迅速增至很大，由此确定其失稳条件。振动法从动力学的观点来研究压杆稳定问题。当压杆在给定的压力下，受到一定的初始扰动之后，必将产生自由振动，如果振动时间的增加是收敛的，则压杆是稳定的。
以上四种方法是对于欧拉压杆而言，所得到的临界荷载值是相同的。如果仔细研究一下，可以发现它们的结论并不是完全一样，表现在以下几个方面：
(1)静力平衡法的结论只能指当时压杆可能发生屈曲现象，至于哪种可能，并无选择条件。同时在时，屈曲的变形形式根本不能平衡，因此无法回答直线形式的平衡是不稳定的问题。
(2)缺陷法的结论也只能指当时，杆件将发生无限变形，所以是不稳定的。但对于各值之间时压杆是否稳定的问题也不能解释。
(3)能量法和振动法都指出，之后不论P值多大，压杆直线平衡都是不稳定的。这个结论和事实是一致的。
由于桥梁结构的复杂性，不可能单靠上述方法来解决其稳定问题。大量使用的是稳定问题的近似求解方法。归结起来主要有两种类型：一类是从微分方程出发，通过数学上的各种近似方法求解，如逐次渐近法，另一类是基于能量变分原理的近似法，如Ritz法。有限元方法可以看成是Ritz法的特殊形式。当今非线性力学将有限元与计算机结合，得以将稳定问题当作非线性力学的特殊问题，用计算机程序实现求解，取得了巨大的成功。
3结语
本文主要探讨了钢桁桥的稳定性相关问题，探讨了钢桁桥的稳定性分类及研究方法，同时双层公路钢桁桥在城市交通领域具有很大的发展潜力。因此，加强公路钢桁桥的研究非常有必要。
参考文献：
[1]吴思宇,侯荣伟.基于ANSYS的钢桁桥变形和强度分析[J].《山西建筑》,2009年第35卷第19期,331-332.
[2]江克斌,任新见,等.拼装式钢桁桥振动特性研究[J].《解放军理工大学学报：自然科学版》,2002年第3卷第5期,44-48.
[3]王应槐,张若钢,刘均平.大跨度连续刚构桥稳定性分析[J].《公路交通技术》,2009年第5期,43-46.
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