大跨連續剛構橋的穩定性分析

魏 強,張雪峰,李文斌,曾 勇

(1.重慶交通大學,重慶 400074;2.重慶市城市建設投資公司,重慶 400042;3.重慶橋梁工程有限責任公司,400060;4.林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司四川分公司,四川成都 610041)

大跨連續剛構橋的穩定性分析

魏 強1,張雪峰2,李文斌3,曾 勇4

(1.重慶交通大學,重慶 400074;2.重慶市城市建設投資公司,重慶 400042;3.重慶橋梁工程有限責任公司,400060;4.林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司四川分公司,四川成都 610041)

高墩大跨徑連續剛構橋近幾年在我國公路建設中得到廣泛應用,未來剛構橋有向跨徑進一步加大,上部結構連續長度進一步加長,墩高將越來越高的方向發展。剛構橋的穩定性分析越來越重要。文章側重從理論上分析了剛構橋的失穩問題及求解方法,并用MIDAS/CIVIL軟件對重慶市潼南縣蓮花大橋進行穩定性的仿真計算。

橋梁; 連續剛構; 穩定性

橋梁結構的穩定性關系到橋梁結構的安全,它與橋梁的強度有著同等的甚至更重要的意義。世界上曾經有過不少的橋梁因失穩而導致全橋破壞的例子。例如加拿大的魁北克(Quebec)橋。該橋在南側錨碇桁架快要架完時,由于懸臂端下弦桿的腹板屈曲而發生突然崩塌墜落。

1 失穩問題及其求解方法

1.1 兩類穩定問題

第一類為分支點失穩問題;第二類極值點穩定問題。實際工程中的穩定性問題一般都表現為第二類失穩。但是,由于第一類穩定問題時特征值問題,求解方便,在許多情況下兩類問題的臨界值又相差不大,因此研究第一類穩定問題仍然有著重要的工程意義。

1.2 求解方法

因為高墩大跨連續剛構橋基本屬于剛接的平面桿件結構,因此可以對平面桿單元運用有限元方法分析,得出其彈性剛度矩陣表達式:

結構變形與受力的基本公式:

按式(2)可以求得在荷載{F}作用時的位移{δ},如果荷載不斷增加,則結構的位移增大。

在小變形情況下,當{F}增加 λ倍時,幾何剛度矩陣及桿端力均增加 λ倍,因而有

如果 λ足夠大,使得結構達到隨遇平衡狀況,即{δ}變為{δ}+{△δ},上式平衡方程也能滿足,則:同時滿足式(3)和式(4)的條件是:

這就是計算穩定安全的特征方程式,如果方程有n階,那么理論上存在n個特征值λ1λ2λ3……λn。在工程問題中只有最低的特征值或最小的穩定安全系數才有實際意義,這時的特征值為λcr,即最小穩定特征值,臨界荷載值為λcr{F}。

2 工程實例

2.1 工程概述

潼南縣蓮花大橋位于重慶市潼南縣縣城,南岸接老城區濱江路,北岸接新城區西十路口。主橋上部結構為(90+150 +90)m預應力混凝土連續剛構,橋梁全長 330m,如圖 1。主梁為單箱單室結構,主梁寬度為(2.5+7+2.5=12)m,其中,箱梁底板寬度為6.5m,翼緣板長度為2.75m。箱梁根部梁高為8.5m,相應底板厚度為1.2m。合龍段及邊跨現澆段梁高3.2m,相應底板厚度 0.3m。箱梁下緣按二次拋物線變化。全橋共設 7道橫隔板,其中 0號塊處墩頂橫隔板4道、梁端橫隔板 2道及跨中合龍段 1道。梁主墩采用鋼筋混凝土雙薄壁柔性墩,其混凝土強度等級為C 55。

設計荷載為汽車:城市—B級;人群:2.5 kN/m2。

圖1 潼南涪江人行橋主橋整體布置

連續剛構橋在 T構懸澆過程中的高墩自體穩定性、主梁懸澆過程最大懸臂時的穩定性和成橋后全橋的穩定性都很重要。分析計算采用midas有限元軟件,采用梁單元對全橋進行逼真模擬穩定分析。

2.2 橋墩自體穩定性

2.2.1 風荷載計算

(1)橫向風壓:根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D 60—2004),橫向設計基準風壓為:

圖2 橋墩的失穩模態

式中:K2=1.12;K5=1.38;Wo=400N/m2。

風荷載標準值:Fwh=k0k1k3WdAwh

式中:k0=1;k1=0.8;k3=1

(2)縱向風壓:為橫向風壓的70 %。

2.2.2 橋墩的自身穩定性分析

在自重加橫向荷載和自重加縱向荷載兩種工況下,橋墩的穩定特征值見表 1。由表 1可知,在兩種工況下,最小特征值均遠遠大于 5,說明在橋墩施工過程中,穩定性可以滿足要求。失穩模態見圖 2。

2.3 最大懸臂狀態下的穩定性

當結構懸臂施工到最末懸澆段 16#塊時懸臂最長,此時,

在恒載誤差、風荷載和施工荷載誤差作用下,結構最不安全。因此需對該階段進行穩定性分析。風荷載大小與上節相同,在最大懸臂狀態下,結構的側向變形主要表現為一端掛籃脫落(非正常工作)。在恒載、施工荷載、節段施工誤差不平衡重量及風載條件下,對最大懸臂狀態下的懸澆施工進行穩定性分析結果見表 2,失穩模態見圖 3、圖 4。

圖3 最大懸臂掛籃正常工作失穩模態

圖4 最大懸臂掛籃非正常工作失穩模態

以上分析表明,最大懸臂狀態下的穩定性滿足要求。

2.4 全橋穩定性

在運營階段,橋梁承受恒載(包括結構自重、橋面鋪裝等)、汽車荷載、風荷載、人群荷載(3.0 kN/m)的作用,在成橋穩定計算時考慮以下荷載組合:恒載+二期恒載+風荷載。穩定特征值為 75.91。計算結果表明,成橋后各工況下結構穩定性均滿足要求。全橋失穩模態見圖 5。

圖5 全橋失穩模態

3 結 論

(1)高墩大跨徑橋梁結構的穩定性主要與施工階段有關,而墩施工時風荷載以及一側失重等情況對結構穩定性的影響不大。

(2)最大懸臂階段的穩定特征值比成橋階段的小,說明該橋控制的關鍵是最大懸臂施工階段。

(3)本文以彈性穩定理論為基礎,用有限元方法對該橋不同工況下各階段的穩定性進行計算,計算結果可知結構穩定性滿足要求。

[1] 李國豪.橋梁結構穩定和振動[M].北京:中國鐵道出版社,2002

[2] 馬保林.高墩大跨連續剛構橋[M].北京:人民交通出版社,2001

[3] 王振陽,趙煜,徐興.高墩大跨徑橋梁穩定性[J].長安大學學報(自然科學版),2003(7)

U 445.464

B

2009-12-23

魏強(1984～),男,碩士研究生,從事橋梁結構損傷、病害分析、加固與健康檢測工作。