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拱橋是橋梁的基本形式之一, 因其經(jīng)濟、美觀、剛度較大, 應(yīng)用十分廣泛, 隨著高強度材料和先進施工方法的不斷出現(xiàn), 拱橋開始向薄型和大跨趨勢發(fā)展, 這就使其穩(wěn)定問題顯得日益突出, 甚至成為制約其發(fā)展的主要因素之一。

按照拱橋在失穩(wěn)時是否發(fā)生質(zhì)變的觀點, 可將其穩(wěn)定分為第一類穩(wěn)定問題和第二類穩(wěn)定問題, 其中第 一類穩(wěn)定問題是指對于較柔細的拱, 當(dāng)其承受的荷載達到一定的臨界值時, 拱的平衡狀態(tài)就會出現(xiàn)分枝, 使原來的平衡狀態(tài)失去穩(wěn)定性而轉(zhuǎn)向新的平衡狀態(tài); 而第二類穩(wěn)定問題是指對于不太細長的拱, 平衡形式不發(fā)生質(zhì)變, 可能在發(fā)生面內(nèi)彈性屈曲之前, 就進入了彈塑性狀態(tài), 應(yīng)按塑性分析法確定其壓潰荷載, 是極值點問題。 

拱橋?qū)儆趬簭潣?gòu)件, 而且不可避免地存在著初始缺陷, 因此嚴格地說應(yīng)屬于第二類失穩(wěn), 但由于其方 程求解的復(fù)雜性, 在實際拱橋設(shè)計中, 對中小跨度的拱橋多按第一類穩(wěn)定理論驗算拱橋的穩(wěn)定性。

1、國內(nèi)規(guī)范

在我國《公路橋涵設(shè)計規(guī)范》中, 要求對各施工階段及成橋后拱截面的強度和穩(wěn)定進行計算。對于長細比不大, 且矢跨比 f/L 在0.3以下的拱, 縱向穩(wěn)定性驗算表達為強度校核的形式, 即將拱肋換算成相當(dāng)長度壓桿, 按平均軸向力, 采用鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件強度計算公式; 當(dāng)拱肋(換算直桿)的長細比大于《橋規(guī)》規(guī)定值時, 則按壓桿臨界力驗算縱向穩(wěn)定, 安全系數(shù) K = N L/N j 約為 4～ 5。這種計算方法是基于拱的彈性屈曲分析, 假定拱軸線不變形, 沒有考慮幾何非線性和材料非線性(一般安全系數(shù)比考慮非線性稍高,偏于不安全) , 因此主要適用于小跨度拱橋的縱向穩(wěn)定性計算。

同時, 我國規(guī)范還要求當(dāng)拱圈寬度小于跨徑的1/20, 或拱肋寬度小于聯(lián)系各拱肋的橫系梁間距的 1/20 時, 應(yīng)驗算拱圈或拱肋的橫向穩(wěn)定。當(dāng)計算用橫系梁連接的拱肋橫向穩(wěn)定時, 可將拱橋視為等于拱軸長度的平面桁架, 按受壓組合構(gòu)件決定其計算長度和長細比。這種方法屬于當(dāng)量組合壓桿法, 由于沒有考慮拱肋局部撓曲的影響, 比較間接和粗略, 可能和實際結(jié)果相差較大, 而且對拱肋橫向穩(wěn)定的計算目前也尚處于探索階段, 仍是主要靠試驗方法或近似計算來解決。

2、德美規(guī)范

在德國的鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范DN 18800-Ⅱ-1988 規(guī)范草案中, 對拱的面內(nèi)、面外穩(wěn)定是利用等效長細比把拱化做受壓直桿的穩(wěn)定問題來計算, 基本思想和我國規(guī)范相近。

在《美國公路橋梁設(shè)計規(guī)范》中, 對于鋼及鋼筋混凝土拱在計算面內(nèi)穩(wěn)定時均采用彎矩放大系數(shù)法, 并且在建立力學(xué)模型時要求計入受壓構(gòu)件的非彈性性能, 在穩(wěn)定分析中要求包括變形效應(yīng)和構(gòu)件的軸線偏離直線的情況?？梢娫撘?guī)范對于拱考慮了第二類穩(wěn)定問題, 對于中小跨度拱, 把拱看作一根壓彎桿件, 用彎矩放大系數(shù)法來考慮“梁柱效應(yīng)”, 用強度驗算來代替拱的第二類穩(wěn)定問題的驗算。但是該規(guī)范對橫向穩(wěn)定亦未做特別說明。

摘自：石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報《拱橋穩(wěn)定分析的規(guī)范方法與建議》