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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 |
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