拱桥是桥梁的基本形式之一, 因其经济、美观、刚度较大, 应用十分广泛, 随着高强度材料和先进施工方法的不断出现, 拱桥开始向薄型和大跨趋势发展, 这就使其稳定问题显得日益突出, 甚至成为制约其发展的主要因素之一。

按照拱桥在失稳时是否发生质变的观点, 可将其稳定分为第一类稳定问题和第二类稳定问题, 其中第 一类稳定问题是指对于较柔细的拱, 当其承受的荷载达到一定的临界值时, 拱的平衡状态就会出现分枝, 使原来的平衡状态失去稳定性而转向新的平衡状态; 而第二类稳定问题是指对于不太细长的拱, 平衡形式不发生质变, 可能在发生面内弹性屈曲之前, 就进入了弹塑性状态, 应按塑性分析法确定其压溃荷载, 是极值点问题。 

拱桥属于压弯构件, 而且不可避免地存在着初始缺陷, 因此严格地说应属于第二类失稳, 但由于其方 程求解的复杂性, 在实际拱桥设计中, 对中小跨度的拱桥多按第一类稳定理论验算拱桥的稳定性。

1、国内规范

在我国《公路桥涵设计规范》中, 要求对各施工阶段及成桥后拱截面的强度和稳定进行计算。对于长细比不大, 且矢跨比 f/L 在0.3以下的拱, 纵向稳定性验算表达为强度校核的形式, 即将拱肋换算成相当长度压杆, 按平均轴向力, 采用钢筋混凝土轴心受压构件强度计算公式; 当拱肋(换算直杆)的长细比大于《桥规》规定值时, 则按压杆临界力验算纵向稳定, 安全系数 K = N L/N j 约为 4～ 5。这种计算方法是基于拱的弹性屈曲分析, 假定拱轴线不变形, 没有考虑几何非线性和材料非线性(一般安全系数比考虑非线性稍高,偏于不安全) , 因此主要适用于小跨度拱桥的纵向稳定性计算。

同时, 我国规范还要求当拱圈宽度小于跨径的1/20, 或拱肋宽度小于联系各拱肋的横系梁间距的 1/20 时, 应验算拱圈或拱肋的横向稳定。当计算用横系梁连接的拱肋横向稳定时, 可将拱桥视为等于拱轴长度的平面桁架, 按受压组合构件决定其计算长度和长细比。这种方法属于当量组合压杆法, 由于没有考虑拱肋局部挠曲的影响, 比较间接和粗略, 可能和实际结果相差较大, 而且对拱肋横向稳定的计算目前也尚处于探索阶段, 仍是主要靠试验方法或近似计算来解决。

2、德美规范

在德国的钢结构规范DN 18800-Ⅱ-1988 规范草案中, 对拱的面内、面外稳定是利用等效长细比把拱化做受压直杆的稳定问题来计算, 基本思想和我国规范相近。

在《美国公路桥梁设计规范》中, 对于钢及钢筋混凝土拱在计算面内稳定时均采用弯矩放大系数法, 并且在建立力学模型时要求计入受压构件的非弹性性能, 在稳定分析中要求包括变形效应和构件的轴线偏离直线的情况。可见该规范对于拱考虑了第二类稳定问题, 对于中小跨度拱, 把拱看作一根压弯杆件, 用弯矩放大系数法来考虑“梁柱效应”, 用强度验算来代替拱的第二类稳定问题的验算。但是该规范对横向稳定亦未做特别说明。

摘自：石家庄铁道学院学报《拱桥稳定分析的规范方法与建议》