2.使用阶段的稳定分析
析架拱肋的整体稳定验算从三个方面进行:一是全桥整体的第一类稳定的空间有限元分析，求得一类稳定的失稳模态与稳定系数;二是采用等效格构柱的简化计算方法对主拱面内的稳定性进行验算;三是采用组拼拱的简化计算方法进行主拱肋的面外稳定性验算。
(1)一类稳定的空间有限元分析采用ANSYS程序进行该桥一类稳定的空间有限元分析，加载工况同表1。计算结果表明，在各种荷载工况下结构一阶失稳模态均为面外失稳，反映该桥的面内刚度大于面外刚度。各种工况下拱肋的一类稳定系数均大于6.0，表明结构发生一类失稳的可能性较小。3使用阶段的动力特性分析使用阶段的动力特性分析使用兰索斯法(Lanczos法)求解模态特征值和特征向量。兰索斯法采用稀疏矩阵方程求解，用一组向量来实现兰索斯递归。由于采用的是空间有限元模型，因此可以提供所有的振型模式(面外、面内、扭转及藕合)。为了比较桥面系对钢管混凝土拱桥动力特性的影响，计算中分别采用桥面简支和桥面连续两种不同的结构形式工况进行分析，两者振动频率的比较和桥面连续时的振型特点见表2，部分振型见图3(其中振型特点分析以桥面分析为主，仅列出前10阶振型的特点。)
比较表4两种工况频率的计算结果，可以看出，当采用桥面简支时，前16阶振型都是横梁的振动，结构的整体性能较差;与此相比，采用桥面连续则大大提高了结构的自振频率。
基频的增大意味着结构刚度的增大，反映结构的整体性能较好。
还可以知道，该钢管混凝土拱桥振型序列是第一振型为反对称的，第二、第三振型是对称的，第四振型是反对称的(不计扭转振型)。这与一般单跨拱桥的振型序列是一致的，相应于第一振型的基本周期为0.528秒，虽然与单孔拱刚性结构0.3一0.4秒基本周期的实测统计数据略有差距[5]，但还是基本反映该拱桥具有较大的刚性特点。
与其它钢管混凝土拱桥振型序列不同的是该桥在第2,4振型出现扭振，这是因为该桥只设置了三道横撑，而没有如一般钢管混凝土拱桥那样布置K撑，横撑和K撑的布置对结构的动力特性有一定的影响，会改变振型序列和频率，因而使该桥的扭振序列提前出现。
四、若干问题的讨论
1.刚架系杆拱的水平力处理
刚架系杆拱结构的优点在于系杆拉力的存在，抵消拱的大部分水平推力，降低了拱桥上部结构对下部结构和基础的刚度要求。但另一方面，刚架系杆拱由于拱肋、承台和桩基础连成一体，上部结构到下部结构的传力途径不明确，如何处理传到承台和钻孔灌注桩的水平推力比较困难。下面结合该桥讨论恒载作用和组合作用时的水平力状况。该桥每侧的系杆是采用4根预应力钢绞线作为拉杆来平衡拱的推力，每根预应力索的设计拉力为2200kN，一侧系杆的总设计拉力为8800kN.考虑到系杆拉力对刚架系杆拱结构分析的重要性，本文分别采用ANSYS程序和同济大学“桥梁博士”专用桥梁设计程序对该桥的系杆拉力进行计算并相互验证，以保证计算的准确性。表3为一侧墩台系杆的水平力比较值。从表3可以看出，用ANSYS程序和“桥梁博士”专用设计程序计算的结果基本符合(其中a值采用方案一和方案二中的较大值)。
可知，该桥在恒载作用时，每侧的水平力为8289kN;而在最大的组合作用下，拱桥每侧的水平推力将达到12200kN。这意味着:恒载作用时，每侧的基础受到一个向内511 kN的水平推力;而在最大组合作用时，每侧基础受到一个向外的3400kN的水平推力。
即使考虑拱肋与墩台的共同作用，经计算分析，墩台也将承受3260kN的水平力。上述水平力的存在对桩基础是很不利的，即在使用阶段，向内、向外两个大小不一的水平推力，使桩基础内产生很大的弯矩，这是钢管混凝土刚架系杆拱设计时必须注意的重要问题。对于系杆所加预应力的大小，建立可以采用以下两种方法进行处理:
(1)减少系杆的预拉力，即把系杆的拉力控制在8290kN，使系杆的作用保持在只承受拱桥的恒载水平力，然后在两侧承台顺桥向增加一个混凝土块体，形成组合桥台。通过混凝上块体与地基间的摩擦力承受上部结构组合作用时产生的向外水平力3910kN，这样桩基础在任何工况下仅仅受到垂直力的作用，可以满足实际设计的基本假定。
(2)适当增加系杆的预拉力，把系杆的拉力控制在10245kN，这样承台前后均承受约1950kN的多余水平力。然后在桥梁两侧承台顺桥向的前、后部分各增加一个混凝土的块体，通过混凝土块体与地基间的摩擦力承受上部结构产生的向内(或向外飞的水平力，以满足实际设计的基本假定。
上述的处理方法均可使该桥有一个明确的水平力和垂直力的受力途径。
2.纵铺桥面系的连接问题
下面讨论桥面板在横梁处采用简支连接和连续连接方法对结构的影响。
从该桥计算的动力特性来看，如果桥面系采用简支板的结构形式，则结构的前16阶振型与频率都是桥面系的部分，其基频为1.26E一05Hz，并且都是横梁的振动，结构的整体性能较差。如果桥面系采用连续板的结构形式，则能提高结构的整体性以及抗震防止落梁的能力。结构的基频为1. 8939Hz，振型序列与一般单跨拱桥的振型序列是一致的。相应于第一振型的基本周期为0.528秒，虽然与单孔拱刚性结构0.3一0.4秒基本周期的实测统计数据略有差距，但还是基本反映该拱桥具有较大的刚性和较好的整体性能。
因此从加强桥面的整体性方面考虑，建议此类桥梁采用连续桥面板体系较好。设计与施工时，除了在桥面板的负弯矩区配置足够的钢筋，还要在桥面板与横梁的连接上采取相应的构造措施，保证结构的连续性(是结构的连续，而不仅仅是桥面连续)，其结果可以有效地提高该桥的整体稳定性和结构的动力性能。
五、结语
1.本文采用ANSYS大型结构分析通用程序，并采用同济大学的“桥梁博士”专用桥梁设计汁算程序进行校核，两者结果基本符合，表明本文得出的计算数据和结论是可信的。
2.施工阶段的稳定分析表明，钢管拱肋在混凝土浇筑过程中，各工况的稳定系数都在25以上，而且钢管内混凝土的浇筑顺序对该桥的施工稳定影响不大。
3.使用阶段的静力分析和稳定验算表明，在各工况下，主拱肋均能满足有关规范的强度和整体稳定性要求。
4.使用阶段的动力特性分析表明，该桥的振型序列与一般单跨拱桥的振型序列是一致的，并且相应于第一振型的基本周期为0.528秒，反映该拱桥具有较大的刚性。
5.计算也表明，钢管混凝土刚架系杆拱的几何非线性影响较小，可以不考虑;施工和使用阶段的挠度也比较小，可以考虑不设置预拱度。
6.对该桥系杆水平力的讨论表明，由于此类拱桥的结构特点，承台总会存在一定的水平推力，使桩基础产生较大的弯矩。建议该桥采用组合桥台，使刚架系杆拱有一个明确的水平力和垂直力的受力途径。
7.对桥面系连续问题的讨论表明，从加强桥面的整体性考虑，宜采用连续的桥面板体系，以有效地提高该类拱桥的整体稳定性和结构的动力性能。
责任编辑：xiaohan
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