風荷載作用下連續剛構高橋墩穩定性分析

賈 鋒

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030006）

在前幾年，穩定大多是對于斜拉橋、懸索橋、拱橋來說的，而對于連續剛構橋，一般認為不需考慮其穩定性。但近些年，工程建設技術的發展，使連續剛構橋也向高墩與大跨發展，并趨于采用高強材料和薄壁結構，因此，工程施工中的穩定性監控對于安全施工及成橋運營就顯得更加的重要。本文僅就眾多荷載中的風荷載對高橋墩的影響進行空間穩定性分析，為相關橋梁的施工風荷載監控提供一定的理論依據。

1 工程概述

某高速公路特大橋，其主橋結構形式為預應力混凝土連續剛構體系，跨徑組合為106+200+200+200+106m。橋面總寬度25m，單幅箱梁頂面全寬12.5 m、底面全寬6.5 m，頂面設2%的單向橫坡（單幅橋）。梁體采用1.8次拋物線變截面分離矩形箱梁，梁高從跨中3.5 m漸變至墩梁固結處的12 m；腹板厚度從跨中0.40 m漸變至墩梁固結處的0.70 m；底板厚度從跨中0.32 m漸變至墩梁固結處的1.10 m；頂板厚度0.28 m；主墩最高達178 m。

圖1 橋梁總體布置立面圖/m

2 分析思路及加載工況

2.1 分析思路

對于橋梁本身而言，橋墩的重力幾乎是不變的，墩頂受到的主梁的重力及其他豎向的荷載總和幾乎也是不變的。為便于說明，把高墩T構受到的重力與風載作圖，見圖2。

因為主梁的重力GL幾乎是不變的，分析墩在失穩臨界狀態下GL的加載系數就顯得意義不大。在圖2中，變化的力其實就只有風壓q。實際工程中，人們更關心T構在風壓q作用下究竟有多大的安全度，也就是說，是墩在失穩臨界狀態下q的加載系數。

以下就順著這個思路，針對風載對T構穩定性的影響作進一步的分析。

2.2 加載工況

工況一：主梁上左、右兩邊風壓對稱，為q，墩上風壓為q，墩的重力密度為g，主梁重力GL。先加載主梁與墩的重力，再加載風壓q，求q在結構失穩時的加載系數a。見圖3。

工況二：主梁上左邊風壓為0.5q，右邊風壓為q，墩上風壓為q，墩的重力密度為g，主梁重力GL。先加載主梁與墩的重力，再加載風壓q，求q在結構失穩時的加載系數a。見圖4。

圖2 高墩T構上的重力與風載

圖3 工況一加載圖示

圖4 工況二加載圖示

3 模型的建立及結構單元的選取

模型的建立應能進行線性與非線性分析。

ANSYS提供梁單元、板單元、殼單元和實體單元。從計算機的硬件配置和分析精度兩方面綜合考慮，墩身和系梁混凝土采用實體單元SOLID65，墩身和系梁的內、外鋼筋層采用單元LINK8，勁性骨架采用LINK8，主梁和臨時支撐采用梁單元BEAM44。

SOLID65單元用于含鋼筋或不含鋼筋的三維實體模型。該實體模型可具有拉裂與壓碎的性能。在混凝土的應用方面，可用單元的實體性能來模擬混凝土，而用加筋性能來模擬鋼筋的作用。當然該單元也可用于其他方面，如加筋復合材料（如玻璃纖維）及地質材料（如巖石）。該單元具有8個節點，每個節點有3個自由度，即x,y,z三個方向的線位移，還可對3個方向的含筋情況進行定義。

SOLID65單元重要的方面在于其對材料非線性的處理。其可模擬混凝土的開裂（3個正交方向）、壓碎、塑性變形及徐變，還可模擬鋼筋的拉伸、壓縮、塑性變形及蠕變。

簡化后的截面見圖5～7，圖8中所示的為一個典型的高墩T構的有限元模型。

4 應力分析結果及評價

圖5 178 m高墩與130 m高墩的墩頂計算截面（單位：m）

圖6 178 m高墩的墩底計算截面（單位：m）

圖7 130 m高墩的墩底計算截面（單位：m）

圖8 高墩T構有限元模型圖

為進一步具體地看到結構的反應，鑒于篇幅所限，在此不再分工況表示應力曲線，僅分工況，把失穩臨界狀態下混凝土和外層鋼筋的豎向正應力用云圖表示出來，為施工及監測中的風壓控制提供一定的理論依據。其中，應力分析中正值表示受拉，負值表示受壓。

5 結論

從應力曲線圖及應力云圖中可得出以下幾點結論：

（1）隨著加載系數的增加，墩身截面由開始的全截面受壓變成截面的一側受壓另一側受拉；而且加載系數增加到一定程度

工況一：

圖9 失穩臨界狀態下混凝土的豎向正應力云圖

圖10 失穩臨界狀態下外層鋼筋的豎向正應力云圖

圖11 失穩臨界狀態下混凝土的豎向正應力云圖

圖12 失穩臨界狀態下外層鋼筋的豎向正應力云圖

工況一：時，截面受拉一側的混凝土開裂；最后結構因為受拉鋼筋的屈服而破壞。

（2）結構的破壞為受彎破壞，與通常的小偏小破壞不同。

（3）兩個工況下，結構在開裂時的加載系數分別為1.231和1.546，破壞時的加載系數分別為2.186和2.930，因此說明：從結構的開裂到結構的破壞過程中，結構具有足夠的延性。

（4）從混凝土的應力云圖中同時可以看出，結構破壞的時候，混凝土已大面積開裂。

（5）一般對于高墩穩定分析的做法，是把橋墩作為一個在側向力作用下發生側移的壓桿來分析的。但顯然，橋墩的重力幾乎是不變的，墩頂受到的主梁的重力及其他豎向的荷載總和幾乎也是不變的，變化的是風載，那么，計算結構臨界狀態時墩頂豎向力的加載系數就顯得沒有意義，而分析結構在多大的風載作用下才會失穩破壞是切合實際的做法，同時，橋梁的高墩T構施工穩定分析的穩定系數應為T構失穩臨界狀態時的風載加載系數。因此，從分析結果來看，后者的分析才更趨于安全與合理。