作者：胡晓慧
1工程概况
奉化江大桥为宁波市环城南路快速路跨越奉化江的特大桥梁，采用中承式钢管混凝土系杆拱桥。为满足大桥施工及成桥不对奉化江航运产生影响，大桥主跨一跨过江，在河道内不设置墩柱，同时减少主墩施工对河堤的影响，主跨确定为260 m。边跨跨径布置考虑桥下辅道的设置及与临近桥梁芝兰桥墩柱尽量对齐以保证立面景观，跨径采用55 m。主桥跨径布置为55 m+260 m+55 m，全长370 m，桥型布置示意图见图1。
2有限元模型及自振特性
奉化江特大桥为中承式钢管混凝土系杆拱桥，钢拱柔梁体系。主拱横桥向布置2片拱肋。中跨拱肋拱轴线采用悬链线，边跨拱肋拱轴线采用拟合曲线。横梁采用工字形截面，布置在纵梁之间，在立柱及主跨范围内纵梁横向布置5片，在进入边跨混凝土拱肋之间后横向布置3片。横梁采用工字型截面钢梁，其上为混凝土桥面板，桥面板通过剪力键与横梁结合，形成叠合梁。
采用有限元软件对奉化江特大桥进行模拟分析，梁体结构计算模型采用传统的“鱼骨梁”模型，全桥采用空间杆系有限元法进行离散。主梁、主拱和边拱按照实际空间位置离散为3D梁单元，吊杆离散为3D杆单元。全桥模型共有节点383个，单元536个。桥梁上部结构抗弯刚度不考虑桥面系对其的贡献。桥墩及立柱与主梁通过耦合进行模拟。吊杆通过与鱼刺刚臂的耦合实现与主梁的连接。
主梁顺桥向自由度放松，扭转自由度约束；辅助墩位置主梁竖向和扭转自由度与辅助墩为主从约束关系；主梁和拱肋相接的区域为主从约束关系；所有桥墩底部为同定约束。结构有限元计算模型示意图见图2。
通过稳定性分析获得前几阶失稳模态，同时采用子空间迭代法求解该桥的自振模态。文献[1]指出由于桥梁的响应仅由若干低阶模态起控制作用，所以在系统分析中只需要提取若干低阶振型进行响应分析。本文只列出主桥前3阶数值结果（见表1），前3阶失稳模态与自振振型见图3。
从图3可以看出，第一阶模态是反对称竖弯，第二阶出现对称侧弯，表明主桥横桥向挠曲刚度大于纵桥向刚度。竖向振动时，主梁与拱肋振动基本同步。横桥向振动时，主梁振动出现明显滞后现象，表明主梁横向刚度较大；失稳模态与自振振型不一致，且弹性稳定的安全系数最小为9.78，故该桥的稳定性基本满足要求。
3稳定性影响因素分析
本文通过改变桥梁结构的拱肋刚度、风撑形式及刚度、主梁刚度、吊杆刚度几个关键因素评判各个部位对钢管混凝土拱桥稳定性的影响[2-3]。
1)拱肋刚度的影响。拱肋是钢管混凝土拱桥结构中的核心，是主要受力构件。为研究主拱肋刚度对钢管混凝土拱桥稳定性的影响，通过变化拱肋刚度计算其稳定安全系数。设拱肋初始刚度为单位1，通过调整拱肋单元材料弹性模量值改变拱肋的刚度。得到结果见图4。
从图中可以看出，稳定系数随拱肋刚度的变大而逐步增大，增加拱肋刚度有效提高结构的稳定性。
2)风撑形式的影响。钢管混凝土拱桥的风撑有多种形式，常用的主要有“一字撑”、“K字撑”以及“X撑”等几种。为了研究各种风撑形式对桥梁稳定性的影响，在初始模型“一字撑”基础位置改为“K字撑”或“X撑”，计算稳定系数，从而分析风撑形式对结构稳定性的影响。计算以上几种情况的安全稳定系数，结果见图5。
通过比较计算，得到的不同风撑形式钢管混凝土拱桥的安全稳定系数，风撑形式对结构稳定性影响较大，且合理设置K字撑是增加此类桥型稳定性非常有效的方法。
3)风撑刚度的影响。为了探究风撑刚度对结构稳定性的影响，将模型初始“一字撑”刚度设为单位量1，通过改变风撑的弹性模量改变刚度比值，从而得到不同风撑刚度下该桥的稳定系数，结果见图6。
通过以上结果，可以看出风撑刚度的增加，其稳定性大加。
4)吊杆刚度的影响。通过改变吊杆单元的刚度，计算桥梁结构的稳定安全系数，以初始模型为基础，此时的吊杆刚度为单位量1，通过变化其刚度计算其稳定安全系数，得到相应的结果见图7。
从以上结果可以看出，稳定安全系数随吊杆刚度的变大而逐步增加，但幅度不大。
5)主梁刚度影响。主梁是拱桥中直接承受活载的部分，通过类似方法对比，以初始模型主梁刚度为单位1，改变主梁材料的弹性模量改变刚度，获得结果见图8。
对比不同主梁刚度的结果，可以看出随着主梁刚度的增加，该桥梁的稳定系数有所增加，变化幅度不明显。
4稳定性影响因素敏感性分析
根据上文结果，以各构件刚度为单位1时的稳定系数作为参照，将钢管混凝土拱桥稳定性对各影响因素敏感性汇总（见表2）。
以采用“一字撑”的钢管混凝土拱桥的稳定系数作为参照，将钢管混凝土拱桥稳定性对风撑形式的敏感性汇总（见表3）。
由表2、表3可知，钢管混凝土拱桥的稳定性对风撑形式最为敏感，采用K字型风撑稳定性最强。按敏感性由大到小排序如下：风撑形式、拱肋刚度、风撑刚度、主梁刚度、吊杆刚度。
5结语
钢管混凝土拱桥对风撑形式最为敏感，合理采用K字撑是提高该类桥型稳定性的有效方法。按钢管混凝土拱桥稳定对影响因素的敏感性由大到小排序如下：风撑形式、拱肋刚度、风撑刚度、主梁刚度、吊杆刚度。
6摘要：
通过对某钢管混凝土拱特大桥进行有限元分析，不断改变桥梁结构各部分的刚度、结构形式，分析影响钢管混凝土拱桥稳定性的各因素及敏感性。结果表明：提高拱肋刚度、风撑刚度、风撑形式、吊杆刚度、主梁刚度等均可以提高钢管混凝土拱桥的稳定性；钢管混凝土拱桥稳定性对风撑形式最为敏感，拱肋刚度次之，吊杆刚度最不敏感；采用K字撑是提高钢管混凝土拱桥稳定性的有效手段。
