摘要：由于人们对景观要求越来越高，斜拉桥等缆索支撑体系桥梁也越来越多的应用在人行桥的设计上，开口薄壁桥塔结构新颖，形似贝壳，景观效果出色，但由于是开口薄壁结构，以受压为主，兼有弯剪扭作用，受力十分复杂，有必要对开口薄壁桥塔进行屈曲稳定分析研究。
关键词：斜拉桥， 开口薄壁桥塔， 局部稳定 ，弹性屈曲
Abstract: due to demand more and more people to the landscape, the cable stayed Bridges also support system more and more used in the design of the pedestrian bridge, opening parenchyma bridge tower novel structure, similar to a shell, the landscape effect well, but because of a thin-walled structure are open to press press, incorporated with curved cut and function, and the structural very complex, it is necessary to open thin tower bridge buckling stability analysis research.
Keywords: cable-stayed bridge, and his mouth thin-wall bridge tower, the local stability, elastic buckling
中图分类号：U448.27 文献标识码：A文章编号：
1．引言
东平河景观步行桥位于佛山市中心组团新城区中央公园，东平大桥上游约500米处，跨越东平河。步行桥作为连接南北两岸中央公园的步行通道，一方面可使新城区两岸步行交通成为一个完整而独立的系统，满足游人观光游览使用的需要，另一方面作为新城区滨水地区的重要景观元素，将成为滨水地区的主要实体景观。
根据总体规划要求及景观上的考虑，主梁采用单向圆弧的平面线形，圆弧半径为600m。桥梁全长655米，共一联，跨径布置为50+60+65+305+65+60+50米，桥宽8米。结构形式为双塔单索面斜拉桥结构。拉索呈扇形布置，全桥共48根，一边拉在主梁的外凸圆弧上，一边拉在主梁的内凹圆弧上。
图1 桥塔构造图
桥塔采用贝壳型薄壳结构。主塔高度为95.5m(由承台顶面至塔顶)，桥塔轴线与竖向夹角约19度，桥面以上塔高约80.525米，桥面以下塔高约14.975米，塔身主要壁厚为0.8米和0.5米。
2．开口薄壁构件稳定理论
从桥塔的形状上来看，可以简化成类似角钢的锐角L形断面，为单轴对称的形式，我们通过研究简化开口薄壁断面的屈曲稳定的规律，来指导研究桥塔屈曲稳定的规律。开口薄壁杆件由于抗扭刚度较小，因此在轴向力等作用下有较大可能性发生弯扭屈曲。
对于通常截面开口薄壁杆件的弯曲和扭转的微分方程为:
（式1）
其中， 为截面扇形惯性矩， 为截面的抗扭常数。
将弯扭屈曲后轴力N所形成的 ， 和m带入上式，可以得到弯扭屈曲的平衡方程：
（式2）
考虑截面残余应力 的影响后，得到考虑残余应力的弯扭屈曲的平衡方程：
（式3）
其中
对于桥塔这种单轴对称截面可以认为 ，可以进一步得到绕x轴弯曲屈曲的临界力：
对于研究稳定问题一般选取的两端简支的边界条件而言，弯扭屈曲的临界力为：
通过进一步简化上式，我们可以看出开口薄壁杆件在受压状态下的弯扭屈曲稳定依然与材料的弹性模量和截面面积成正比，与杆件的长细比成反比。
3．有限元屈曲稳定分析
由于桥塔结构特殊，与理论简化的开口薄壁形状不完全相同，而且受力及边界条件更复杂，为了使分析结果更加准确可靠，有必要进行薄壳结构的有限元屈曲稳定分析，以保证结构的安全。本次分析分别采用有限元分析程序STAAD PRO和SAP 2000建立了桥塔空间有限元模型对桥塔进行了屈曲稳定分析。
桥塔采用板单元建模，计算最不利工况下桥塔的失稳模态及稳定系数。
图2 Staad屈曲模态图
图3 Staad屈曲模态图
最不利工况稳定系数
由分析结果可见，STAAD PRO与SAP 2000有限元程序分析结果基本一致，因此结果数值较为可靠。由屈曲模态图形可以看出，桥塔塔壁在各种荷载工况作用下，其局部稳定安全系数均较高，可保证桥塔不发生局部失稳。从屈曲模态图可见局部失稳较弱部位发生在桥塔下部开口断面处，由于此设置了观光平台、隔板和观光垂直电梯井盖，进一步加强了局部稳定性。因此桥塔薄壁结构局部稳定能够得到保障。
4．结语
局部屈曲稳定是开口薄壁桥塔设计的关键问题。本文结合东平河景观步行桥桥塔的设计，通过阐述开口薄壁杆件弹性稳定理论及空间有限元分析的方法，来对开口薄壁桥塔的屈曲稳定进行分析研究。通过有限元分析，两种程序结果的比较接近，结果比较可信。对于此类桥梁开口薄壁断面的稳定性分析起到一定的借鉴作用。
参考文献
[1] 东平河景观步行桥桥塔分析报告，2005年
[2] 李国豪.桥梁结构的稳定与振动[M].北京：中国铁道出版社，2003年
[3] 周绪红等.复杂荷载作用下单轴对称开口薄壁梁柱的弯扭屈曲[J]．长沙：湖南大学学报，2002年
作者简介：许大光， 1982年出生，男，工程师，2004年毕业于大连理工大学土木工程专业
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。