斜拉橋穩(wěn)定性整體分析
2018-05-07
結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是指在外力作用下結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)開始喪失穩(wěn)定性，稍有擾動，也會引起很大的位移和變形，甚至發(fā)生破壞。此時雖然截面的內(nèi)力并未超過它的最大抵抗能力，但結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)發(fā)生了分支，或者是隨著變形的發(fā)展內(nèi)外力的平衡己不可能得到，于是結(jié)構(gòu)在外荷載基本不變的情況下可能發(fā)生很大的位移最后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。
一、穩(wěn)定理論的發(fā)展概況
與橋梁結(jié)構(gòu)相關(guān)的穩(wěn)定理論已有悠久的歷史，同時橋梁失穩(wěn)事故的發(fā)生促進(jìn)了橋梁穩(wěn)定理論的發(fā)展。早在1744年歐拉（L.Euler）就進(jìn)行了彈性壓桿屈曲的理論計算。在國內(nèi)對于斜拉橋的穩(wěn)定性問題，李國豪等提出了采用空間桿系屈曲有限元方法進(jìn)行計算的思路，并給出了計算斜拉橋平面屈曲臨界荷載的近似方法。
根據(jù)結(jié)構(gòu)經(jīng)受任意微小外界干擾后，能否恢復(fù)初始平衡狀態(tài)，可把平衡狀態(tài)分為穩(wěn)定、不穩(wěn)定和隨遇三種。研究結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要目的就在于防止不穩(wěn)定平衡狀態(tài)的發(fā)生。由失穩(wěn)前后平衡和變形性質(zhì)，可以把穩(wěn)定問題分為兩大類：第一類穩(wěn)定，即分支點失穩(wěn)問題。見圖1；第二類穩(wěn)定，即極值點失穩(wěn)問題，見圖2。
圖1 分支點失穩(wěn)
圖2極值點失穩(wěn)
二、斜拉橋的第一類穩(wěn)定問題
在斜拉橋建設(shè)的初期，跨徑一般較小，再加上計算手段的不成熟，通常只考慮第一類穩(wěn)定問題，而且常把塔和梁分離開來單獨考慮其穩(wěn)定性。對斜拉橋穩(wěn)定性較精確的分析方法是有限元法，這種方法可求得斜拉橋整體的屈曲安全度。
在有限元分析中，斜拉橋被離散為許多單元。如果知道各個單元的力和位移的關(guān)系，則不難推出整體結(jié)構(gòu)的力和位移的關(guān)系。值得注意的是，在壓桿剛度矩陣中，需要考慮軸向力對剛度的影響。對于第一類穩(wěn)定問題而言，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時是處于小變形范圍，大位移矩陣[KL]較小，通常忽略不計。
空間梁單元在小變形下的單元剛度矩陣： （1）
—單元的剛度矩陣；
—單元的彈性剛度矩陣；
—單元幾何剛度矩陣。還與初始軸力N有關(guān)，所以也稱為初始應(yīng)力剛度矩陣。幾何剛度矩陣使單元剛度發(fā)生了變化，主要是由于軸力在桿彎曲時所產(chǎn)生的效應(yīng)所致。當(dāng)軸力是拉力時，桿的剛度變大，即強化(增加)了單元剛度矩陣；當(dāng)軸力是壓力時，桿的剛度變小，即軟化(減小)了單元剛度矩陣。
然后，將各個單元的剛度矩陣，集合成整個結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣，將作用于各單元的等效結(jié)點力列陣，集合成總的載荷列陣。于是得到以整體剛度矩陣[K]、載荷列陣{F}以及整個結(jié)構(gòu)的結(jié)點位移列陣{δ}表示的整個結(jié)構(gòu)的平衡方程
[K]{δ}={F}(2)
即 (3)
一般來講，式(3)的系數(shù)矩陣是非奇異的，它只有零解{δ}=0。表示原來的非撓曲的平衡是穩(wěn)定平衡。設(shè)外力按比例增加λ倍，單元軸力成為λP，由于
[Kσ]與荷載大小有關(guān)，整體的幾何剛度矩陣變?yōu)?lambda;[Kσ]。整體平衡方程則成為：
(4)
如果λ足夠大，使得結(jié)構(gòu)達(dá)到隨遇平衡狀態(tài)，即當(dāng){δ}變?yōu)?{δ}+{Δδ})時，平衡方程式(4)也能滿足，即有：
(5)
同時滿足式(4)和式(5)的條件是
(6)
由此可見，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析最終歸結(jié)為廣義特征值問題。{Δδ}=0是式(6)的一組解，表示結(jié)構(gòu)未發(fā)生失穩(wěn)變形的情況，這組解并不是我們需要的。為了使式(6)取得非零解，則要求：
(7)
這就是計算穩(wěn)定安全系數(shù)的特征方程，若為n階，在理論上可得到n個特征值，相應(yīng)地可由式(6)求出n個特征向量，它們分別表示各階穩(wěn)定安全系數(shù)的大小及相應(yīng)的屈曲模式。對于穩(wěn)定問題，有實際意義的只是最小正特征值所對應(yīng)的臨界荷載端λminP。如果特征方程式(7)沒有正特征值，說明在這種荷載下結(jié)構(gòu)沒有失穩(wěn)問題，例如桿在軸向拉力下就不會發(fā)生失穩(wěn)問題。
λ稱為特征值，也叫比例因子或載荷因子，作用荷載P乘以它就等于臨界屈曲荷載Pcr。作用荷載可以是任意的，如果給定荷載P是單位荷載，特征值即是屈曲荷載，如果給定荷載P是實際荷載，特征值即為該結(jié)構(gòu)的屈曲安全系數(shù)，總之，它們的乘積Pcr保持不變。
三、斜拉橋的第二類穩(wěn)定問題
第二類穩(wěn)定問題可以理解為求結(jié)構(gòu)極限荷載的問題。從設(shè)計的角度講，現(xiàn)行的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計法是從“極限設(shè)計”的思想中引出的概念。傳統(tǒng)的“強度設(shè)計”以構(gòu)件最大工作應(yīng)力乘以安全系數(shù)等于材料的屈服應(yīng)力為依據(jù)。但是，在一般的情況下，構(gòu)件某截面開始屈服并不能代表結(jié)構(gòu)完全破壞，結(jié)構(gòu)所能承受的荷載通常較構(gòu)件開始屈服時的荷載要大。為了利用這一結(jié)構(gòu)強度儲備量，“極限設(shè)計”提出了極限荷載的概念。即引起結(jié)構(gòu)完全崩潰的荷載，并將結(jié)構(gòu)的工作荷載取為極限荷載的一個固定的部分。顯然這種考慮方式更為合理。
斜拉橋穩(wěn)定性分析中，對于第一類穩(wěn)定問題的分析一般采用彈性有限元方法，通過特征值求解得出一階特征值作為穩(wěn)定安全系數(shù)，其計算原則為：
(1)假設(shè)失穩(wěn)前結(jié)構(gòu)處于小變形狀態(tài)，不考慮斜拉橋的各種非線性特征；
(2)計入施工過程中位移和應(yīng)力的疊加效應(yīng)。
對于第二類穩(wěn)定問題的分析一般采用荷載增量求解的非線性有限元方法，通過非線性方程的求解得出結(jié)構(gòu)的極限承載力，從而得出結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)，其計算原則為：
(1)考慮梁—柱效應(yīng)、大位移效應(yīng)及斜拉索垂度效應(yīng)；
(2)計入施工過程中位移和應(yīng)力的疊加效應(yīng)；
(3)考慮主梁和混凝土橋塔的材料非線性；
(4)考慮單根構(gòu)件極限承載能力的影響；
(5)考慮施工過程中臨時支架支點的單向受力(僅受壓)特性。
考慮單根構(gòu)件極限承載能力的影響及支架支點的單向受力特性屬于邊界非線性問題。因而第二類穩(wěn)定問題包含了幾何非線性、材料非線性及邊界非線性，屬于多重非線性問題。
綜合第一類穩(wěn)定和第二類穩(wěn)定的計算原則，研究穩(wěn)定問題時，可對下列情形進(jìn)行計算分析：
(1)第一類穩(wěn)定性分析；
(2)僅考慮幾何非線性的穩(wěn)定性分析；
(3)同時考慮幾何非線性和支架支點單向受力特性的穩(wěn)定性分析；
(4)同時考慮幾何非線性和材料非線性的穩(wěn)定性分析；
(5)根據(jù)第二類穩(wěn)定性計算原則，進(jìn)行極限承載能力分析。
上述計算情形的依次計算分析，既可以得出斜拉橋各種非線性因素對穩(wěn)定性安全系數(shù)的影響及一般規(guī)律，又是編制、調(diào)試斜拉橋穩(wěn)定計算程序和檢查模型正確性的必要步驟。
四、斜拉橋穩(wěn)定性判別標(biāo)準(zhǔn)及評價方法
?。ㄒ唬┙Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的判別準(zhǔn)則
判斷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性一般可采用能量準(zhǔn)則、靜力準(zhǔn)則及動力準(zhǔn)則。前面介紹的方法均屬于靜力準(zhǔn)則。以下介紹能量準(zhǔn)則對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行判斷。
由能量原理可知，如果結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)，則它的總勢能泛函∏的變分為零，即：
δΠ=0 (8)
如果Π*表示平衡狀態(tài)發(fā)生微小改變的總勢能泛函，則將Π*按Tayler級數(shù)展開可得：
Π*=Π+δΠ+1/2δ2Π (9)
因為在平衡狀態(tài)由式(14)，得總勢能泛函的增量為：
ΔΠ*=Π*-Π=1/2δ2Π (10)
如果只取二階微小量，則由此可得判斷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的能量準(zhǔn)則：
如果δ2Π>0，則Π為極小值，結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)；
如果δ2Π<0，則Π為極大值，結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)；
如果δ2Π=0，則Π為駐值，結(jié)構(gòu)處于臨界平衡狀態(tài)。
利用變分原理可得：
δ2Π=Δ{δ}T[K]Δ{δ}(11)
因此判斷穩(wěn)定性的能量準(zhǔn)則可變?yōu)?
如果Δ{δ}T[K]Δ{δ}>0，則穩(wěn)定平衡；
如果Δ{δ}T[K]Δ{δ}<0，則穩(wěn)定不平衡；
如果Δ{δ}T[K]Δ{δ}=0，則臨界平衡。
式中[K]為剛度矩陣，如果[K]正定，則平衡是穩(wěn)定的；如果[K]負(fù)定，則平衡是不穩(wěn)定的；如果[K]奇異，即det[K]=0，則平衡處于臨界狀態(tài)，它對應(yīng)的荷載就是臨界荷載。
?。ǘ┙Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的評價指標(biāo)
對于穩(wěn)定性評價指標(biāo)，最直觀的即為穩(wěn)定安全系數(shù)。對斜拉橋的整體穩(wěn)定性能，規(guī)范并沒有明確規(guī)定斜拉橋的整體穩(wěn)定安全系數(shù)。一般來說，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)是相對于某種特定荷載而言的。在非線性穩(wěn)定分析方面，對加載方式目前還沒有統(tǒng)一的根據(jù)，它的選擇大多取決于設(shè)計者的意圖，目前對于穩(wěn)定安全系數(shù)的計算主要有兩種方法。
1、第一種方法
對于斜拉橋施工過程中各狀態(tài)以及成橋狀態(tài)的整體非線性失穩(wěn)安全系數(shù)，現(xiàn)定義為結(jié)構(gòu)在喪失承載能力前所能承受的荷載量與設(shè)計荷載量的比值。即：
{Pcr}=λ{Psj} （12)
式中：λ—穩(wěn)定承載能力安全系數(shù)；
{Pcr}—某工況下結(jié)構(gòu)在失穩(wěn)時的總荷載(包括恒載、活載)：
{Psj}—某工況下結(jié)構(gòu)的設(shè)計荷載(包括恒載、活載)。
結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)λ為：
λ={Pcr}/{Psj}（13)
2、第二種方法
結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時的總荷載可表示為：
{Pcr}={Pd}+λ1{P1}（14)
式中：{Pcr}為結(jié)構(gòu)總的失穩(wěn)荷載；
{Pd}為此階段開始施工前的恒載；
{P1}為施工階段新增恒載或成橋階段的活載；
λ1為結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時相對于{P1}的加載倍數(shù)。
結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)λ為：
(15)
這兩類穩(wěn)定安全系數(shù)的定義都能反映出斜拉橋的穩(wěn)定安全儲備。第一種定義反映了結(jié)構(gòu)對所有荷載的安全儲備能力：第二種定義將結(jié)構(gòu)現(xiàn)有恒載看作不變量，僅考慮結(jié)構(gòu)新增恒載或活載的安全儲備能力。
雖然工程結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)大多屬于第二類穩(wěn)定問題，但作為第二類穩(wěn)定問題的上限，第一類穩(wěn)定問題的特征值求解還是具有一定的應(yīng)用價值，在一個粗略的范圍內(nèi)它能夠評價結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。斜拉橋第一類穩(wěn)定性的安全評價標(biāo)準(zhǔn)一般參照斜拉橋試用規(guī)范，要求第一類穩(wěn)定安全系數(shù)大于4。
根據(jù)國內(nèi)已建橋梁的設(shè)計經(jīng)驗，在結(jié)構(gòu)的空間分析模型中，考慮幾何非線性及單根構(gòu)件極限承載力的影響后，只要穩(wěn)定安全系數(shù)在2.0以上，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性可以得到保證。因此，斜拉橋第二類穩(wěn)定性的安全評價標(biāo)準(zhǔn)為其穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)大于2.0。
五、結(jié)論
?。?）介紹了穩(wěn)定理論及其發(fā)展概況；
?。?）詳細(xì)地論述了兩類穩(wěn)定問題；
?。?）簡要敘述了穩(wěn)定問題失穩(wěn)判別準(zhǔn)則，探討了斜拉橋穩(wěn)定性的兩種評價指標(biāo)。
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[6]交通部重慶公路科學(xué)科研所主編.公路斜拉橋設(shè)計規(guī)范(試行).北京:人民交通出版社,1996.
【作者簡介】
黃澤權(quán)（1978-），男，福建福州人，重慶市軌道交通設(shè)計研究院有限責(zé)任公司設(shè)計人員，碩士研究生。
