深水大跨度連續剛構箱梁橋施工階段穩定性分析

■程章宏

(福建省交通規劃設計院，福州 350004)

1 引言

隨著山區高速公路、山區縣市高等級道路修建的普及，預應力混凝土連續剛構箱梁橋在山區地形中的應用也越來越普遍。連續剛構橋具有伸縮縫少，行車平順、施工技術成熟、結構合理等優點，然而在跨越谷溝、大河、水庫等地形地物時，往往會遇到必須采用高墩的情況。對跨越深水的連續剛構橋梁，即使墩身本身高度不高，但樁基處于水中無側向支承的長度較長，其剛度通過承臺與墩身串聯，整體受力性能與高墩類似，此時橋梁的穩定問題就不容忽略，尤其是橋梁懸臂施工階段，下部結構的穩定問題更為突出，此時穩定就具有了與強度同樣的重要性，甚至成為了結構設計的主要控制問題。因而對該類情況下的橋梁穩定問題展開研究，意義重大。國內對橋梁結構進行穩定問題研究時，考慮到其所具有的復雜性，往往采用的是建立并求解微分方程的近似求解法，或結合計算機技術，根據能量變分原理的近似法，如有限條法、有限單元法等。本文采用有限單元法，結合橋梁通用有限元軟件Midas/Civil,對跨越深水的大跨度連續剛構橋梁穩定問題展開研究。

2 工程概況

某大跨度預應力混凝土連續剛構橋跨越地方深水庫，最大水深34m，主橋橋型結構布置為71.5m+2X130m+71.5m=403m，橋面橫向布置為2X[（1.5m（人行道）+0.5m 路緣帶+7m（行車道）]=18m，主橋箱梁采用單箱單室變截面連續剛構箱梁，中間墩頂支點處梁高7.7m，邊跨直線段梁高3m，箱梁頂板寬度為17.5m，厚度為0.28m，底寬為8.5m，底板厚度為0.886～0.32m，在梁高曲線變化范圍內按1.8 次拋物線變化，腹板鉛直設置，箱梁梁體兩翼板懸臂長度為4.5m。橋型布置圖見圖1。其中主墩采用雙肢薄壁墩，單肢壁厚1.6m，壁間距8m，最高墩高27m，承臺厚4.5m。每個主墩處設置9 根樁基，樁徑2.2m，樁基長度最長為50m，水中側向自由長度17～27m。

圖1 連續剛構橋型布置圖(單位：cm)

3 有限元模型建立

本橋墩頂0#塊長度為12m，施工中每個T 構最大懸臂60m，墩兩側各有16 塊掛藍懸澆節塊。大跨連續剛構橋的穩定性問題以施工中最大懸臂狀態時最為突出及關鍵，則以該施工階段橋梁結構作為研究對象，利用有限元軟件Midas/Civil2012 建立計算模型。模型主要采用空間梁單元模擬上部結構、墩、承臺及樁基，不同構件之間的連接采用節點耦合或設置剛臂的方式。樁基進入水庫庫床的部分考慮樁土相互作用，水中段無任何約束且不考慮水的作用（因水庫中水體流動極為緩慢故可忽略，若為具有相當流速的水流則須考慮動水作用），根據現場地質鉆探結果，采用M 法計算每個被穿過土層的側向抗壓剛度值，據此設立樁側土彈簧約束，以使模擬的橋梁整體剛度情況接近施工實際。全橋共劃分單元464 個，節點476 個。模型簡圖見圖2 所示。

圖2 施工最大懸臂階段橋梁模型

4 穩定性計算分析

4.1 計算理論與依據

結構穩定問題分為兩種：第一類為分支點失穩，第二類為極值點失穩。實際工程中的穩定問題一般都是表現為第二類失穩。由于第一類穩定問題是特征值問題，求解方便，且許多情況下兩類問題所求出的臨界值相差不大，因此多數工程可以通過第一類穩定問題的求解來近似計算結構的穩定情況。第一類穩定的控制方程為：|[K]+λ[K]σ|=0，其中[K]為結構的彈性剛度矩陣，為結構在某荷載[P]作用下的幾何剛度矩陣，λ 為結構的第一類穩定特征值（即穩定安全系數），在極限荷載[P]cr作用下，結構具有了相應的幾何剛度矩陣λ[K]σ，此時，根據線性關系，[P]cr=λ[P]，即λ=[P]cr/[P]。以下根據第一類穩定理論計算該橋梁施工過程中穩定問題。

4.2 荷載工況

大跨連續剛構橋最大懸臂施工狀態下穩定性分析計算時通常要考慮的荷載有：自重荷載、掛籃荷載、施工堆積荷載、施工不對稱導致的不平衡力以及縱橋向、橫橋向風荷載等等。本橋計算中，掛藍荷載按原設計資料中數值，即最大梁重的0.5 倍，取為120 噸；施工臨時堆積荷載考慮均布荷載及集中荷載，均布荷載按25kN/m 沿單邊懸臂均勻布置，集中荷載取最不利位置，即單邊懸臂端部，數值為300kN；施工不對稱按一側比另一側多一個節塊考慮或掛藍移動不同步（含某側掛籃不慎掉落情況）；縱橫橋向風荷載根據《公路橋涵設計通用規范》（JTGD60-2004）規定并結合橋址處具體地形進行計算取值。綜上，對本橋施工最大懸臂狀態的穩定計算分別施加以下六種工況進行計算研究：

工況一：自重；

工況二：自重+縱橋向風荷載；

工況三：自重+橫橋向風荷載；

工況四：自重+單端安裝掛籃+施工臨時堆積荷載+施工不對稱梁段重（某側懸臂多一節塊）；

工況五：自重+單端安裝掛籃+施工臨時堆積荷載+施工不對稱梁段重（某側懸臂多一節塊）+縱橋向風荷載；

工況六：自重+單端安裝掛籃+施工臨時堆積荷載+施工不對稱梁段重（某側懸臂多一節塊）+橫橋向風荷載。

4.3 計算結果與分析

各工況計算結果見表1，此處穩定系數計算均以墩最大軸壓力（即墩底截面處壓力）作為研究對象。分析上述計算結果易知，該橋在穩定最不利狀態——施工最大懸臂階段下各種工況穩定安全系數均能滿足規范規定的“安全系數不小于4”的要求，結構能夠滿足穩定安全的需要。

圖3 順橋向二階彎曲

圖4 橫橋向側彎失穩

圖5 橫橋向、順橋向同時側彎失穩

各工況計算結果對比可知，（1）橋梁自重荷載對結構的穩定起控制作用，當結構自重對稱分布時，更有利于結構的穩定。（2）工況2 與工況1 及工況5 與工況4 的的對比可知，縱風荷載對結構的穩定影響不大，這是由于縱風作用面主要在墩身，荷載小且作用高度較低，使結構發生彎曲的作用不大。（3）工況3 與工況1 及工況6 與工況4 的對比可知，橫向風荷載對結構的穩定影響較大，實際操作中不容忽視。橫風作用于整個橋梁側面，荷載大、作用點位置高，會加劇橋梁的側傾失穩。（4）工況4 與工況1 對比可知，當懸臂兩端承受不對稱施工活載時，容易使結構發生橫向側傾失穩的危險。既有文獻研究也表明，當懸臂單端作用較大集中力時（如單端安裝掛籃、一側掛籃不慎斷裂導致瞬間卸載等），懸臂結構將有橫向傾覆的趨勢。故施工中應注意掛籃安裝與移動必須保證對稱、同步，同時保證掛籃結構的安全。其余施工荷載的堆放亦需合理規劃布置，必要時應進行相應的驗算。（5）本橋由于樁基處于深水中，側向無支撐長度較長，故該部分樁基成為結構整體剛度中薄弱點。由各工況的失穩形態圖容易看出，破壞均主要表現為樁基的縱向或橫向彎曲變形。故施工中應防止不平衡荷載，同時加強對樁頂水平位移的監控。

5 結論

本文結合某跨越水庫的大跨度連續剛構橋梁工程，利用空間有限元軟件對橋梁施工最大懸臂階段進行了穩定安全分析。由文中計算結果可知，連續剛構橋梁在墩矮的情況下，如果樁基側向無支撐長度較長，則墩樁體系在施工中的穩定問題同樣應予以重視。此類橋梁在施工中應盡量確保荷載的對稱施加，如掛籃的移動與安裝、施加壓重等均應同步、對稱進行或嚴格遵循設計文件要求。同時，風荷載中橫向風對結構的穩定影響較大，施工中應注意防范橫風的破壞作用，必要時可采取適當的橫向臨時加強措施。最后，深水樁基水平向剛度較差，施工中應注意控制樁頂的水平位移。

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