高墩大跨剛構(gòu)橋穩(wěn)定性及其影響因素分析

溫旭明

（鐵道第三勘查設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津市 300142）

高墩大跨剛構(gòu)橋穩(wěn)定性及其影響因素分析

溫旭明

（鐵道第三勘查設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津市 300142）

對(duì)于高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋，確保橋梁的穩(wěn)定性是十分關(guān)鍵的問(wèn)題。以某高墩特大橋?yàn)槔?，建立Midas空間計(jì)算模型，基于穩(wěn)定性理論，得到該橋成橋階段和施工最大懸臂階段的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，并通過(guò)計(jì)算，探討了影響高墩穩(wěn)定性的主要因素，得到一些有益的結(jié)論。

高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋；穩(wěn)定性；影響因素

1 概述

隨著交通事業(yè)的不斷發(fā)展和技術(shù)的不斷進(jìn)步，處于復(fù)雜橋址如山區(qū)、河谷和江河的橋梁數(shù)量增長(zhǎng)迅速。預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋有著跨徑大、整體性能好、受力合理、施工難度低等諸多優(yōu)勢(shì)，因此愈發(fā)受到設(shè)計(jì)單位的青睞[1]。但調(diào)查結(jié)果顯示，在現(xiàn)階段的設(shè)計(jì)過(guò)程中，橋梁的穩(wěn)定性計(jì)算沒(méi)有受到足夠的關(guān)注，造成了一些橋梁因結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)問(wèn)題而失去承載的能力[2]。并且，使用較大的穩(wěn)定安全系數(shù)來(lái)掩蓋穩(wěn)定特征值計(jì)算方面的缺陷，也會(huì)造成橋梁結(jié)構(gòu)的隱患。因此，在跨徑和墩高不斷增大的趨勢(shì)下，對(duì)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的穩(wěn)定性及其影響因素的研究和分析就顯得越來(lái)越重要。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某高墩特大橋橋位展布于河流兩岸岸坡，屬構(gòu)造侵蝕深切割高中山地貌。溝谷深切，呈不對(duì)稱(chēng)“V”形。該橋采用92m+172m+92m變高度連續(xù)剛構(gòu)，單箱單室直腹板橫斷面。主橋主墩為空心薄壁墩，主墩墩高為106m和85m，采用變截面單薄壁箱型，壁厚由70cm變化為80cm。基礎(chǔ)為承臺(tái)與群樁基礎(chǔ)，承臺(tái)尺寸為17.0m×17.0m，樁基直徑為2.5m。

2.2 成橋階段穩(wěn)定性分析

2.2.1 成橋階段計(jì)算模型

圖1 為成橋階段計(jì)算模型圖。模型采用梁?jiǎn)卧M，主墩墩梁固結(jié)，根據(jù)實(shí)際支座布置約束斷支點(diǎn)位置相應(yīng)方向位移，采用節(jié)點(diǎn)彈性支承模擬樁土間共同作用。

圖1 成橋階段計(jì)算模型

2.2.2成橋階段計(jì)算荷載及荷載組合

成橋階段荷載主要由以下幾種荷載組成：

（1）恒載：一期恒載包括主梁、橫梁等材料重量。混凝土容重取26.5kN/m3,主梁按實(shí)際斷面計(jì)取重量。二期恒載包含人行道和欄桿、橋面鋪裝、調(diào)平層等。

（2）活載：采用公路I級(jí)。汽車(chē)荷載按兩車(chē)道加載，橫向折減系數(shù)為1，橋跨縱向折減系數(shù)為0.97，偏載系數(shù)為1.1，活載的橫向分布系數(shù)為2.134，汽車(chē)沖擊系數(shù)為1.05。由于穩(wěn)定性計(jì)算的屈曲分析屬于靜力計(jì)算，因此需要將動(dòng)活載轉(zhuǎn)化為靜荷載加載在相應(yīng)作用位置。

（3）風(fēng)荷載：由于該高墩特大橋橋位位于溝谷地形，容易受到風(fēng)力作用，且風(fēng)速、風(fēng)向以及空間分布較為復(fù)雜。因此，在成橋及施工階段都需要考慮風(fēng)荷載的影響[3]。成橋階段的風(fēng)荷載分為運(yùn)營(yíng)風(fēng)荷載和極限風(fēng)荷載，均根據(jù)該地區(qū)實(shí)測(cè)的風(fēng)速值并參考《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG-TD60-01—2004）[4]計(jì)算得到，并以均布力的形式由橫橋向和順橋向布置在主梁及主墩上。

在成橋階段穩(wěn)定時(shí)計(jì)算分為4種荷載組合：荷載組合1：恒載

荷載組合2：恒載+使墩底產(chǎn)生最不利軸力的車(chē)輛活載

荷載組合3：恒載+使墩底產(chǎn)生最不利軸力的車(chē)輛活載+運(yùn)營(yíng)風(fēng)荷載

荷載組合4：恒載+極限風(fēng)荷載

2.2.3 成橋階段計(jì)算結(jié)果

由表1可以看出，該橋在成橋階段有著較好的穩(wěn)定性，比較各個(gè)荷載組合，荷載組合3下計(jì)算得到的屈曲安全系數(shù)最低。并且，荷載組合3、4與荷載組合2相比較，風(fēng)荷載對(duì)成橋階段的穩(wěn)定性影響很小。圖2給出了荷載組合3下該橋的穩(wěn)定性前三階屈曲模態(tài)，結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模態(tài)均為橫橋向失穩(wěn)。

表1 各荷載組合下屈曲安全系數(shù)

圖2 荷載組合3下穩(wěn)定性屈曲模態(tài)

圖3 最大懸臂階段計(jì)算模型

2.3 施工最大懸臂階段穩(wěn)定性分析

2.3.1 施工最大懸臂階段計(jì)算模型

圖3 為施工最大懸壁階段計(jì)算模型。

2.3.2 最大懸臂階段計(jì)算荷載及荷載組合

成橋階段荷載主要由以下幾種荷載組成：

（1）施工荷載

除結(jié)構(gòu)的本身自重外，施工中發(fā)生的荷載包括正常的荷載和偶然的荷載，可能出現(xiàn)的最不利因素，主要包括以下幾個(gè)方面：

a.梁體靜載

考慮設(shè)計(jì)節(jié)段與施工節(jié)段的梁體靜載的隨機(jī)變化誤差及梁體靜載的不均勻，一側(cè)懸臂靜載增大5%左右，另一側(cè)懸臂靜載減少5%左右；

b.掛籃、現(xiàn)澆塊件或拼裝預(yù)制梁段及施工機(jī)具的動(dòng)力系數(shù)，一端采用1.20，另一端采用0.80；

c.考慮施工需要，梁體上堆放施工機(jī)具及材料，計(jì)算時(shí)考慮最不利情況，一側(cè)懸臂作用有均布荷載，參考相關(guān)文獻(xiàn)取為8.5kN/m，并在端頭加有一集中力為20kN，而另一側(cè)懸臂為空載。

（2）風(fēng)荷載

最大懸臂階段的風(fēng)荷載只包括極限風(fēng)荷載，仍根據(jù)該地區(qū)施工階段的基本風(fēng)速值并參考《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG-TD60-01—2004）計(jì)算得到，以均布力的形式由橫橋向和順橋向布置在主梁及主墩上。

本文在成橋階段穩(wěn)定時(shí)計(jì)算分為4種荷載組合：荷載組合1：自重+施工荷載

荷載組合2：自重+施工荷載+風(fēng)荷載

荷載組合3：自重+施工荷載+橫向反對(duì)稱(chēng)風(fēng)荷載（左側(cè)作用100%橫向風(fēng)荷載，右側(cè)作用相反方向風(fēng)荷載）

荷載組合4：自重+施工荷載+橫向不均勻風(fēng)荷載（左側(cè)作用100%橫向風(fēng)荷載，右側(cè)作用50%橫向風(fēng)荷載）

2.3.3 最大懸臂階段計(jì)算結(jié)果

由表2可以看出，相比成橋階段，最大懸臂階段穩(wěn)定性較小。不同荷載組合下計(jì)算得到的屈曲安全系數(shù)幾乎沒(méi)有變化，風(fēng)荷載對(duì)最大懸臂階段的穩(wěn)定性影響仍然很小。圖4給出了荷載組合3下該橋的穩(wěn)定性前三階屈曲模態(tài)，結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模態(tài)均為橫橋向失穩(wěn)及縱橋向失穩(wěn)。

表2 各荷載組合下屈曲安全系數(shù)

圖4 荷載組合3下穩(wěn)定性屈曲模態(tài)

3 高墩穩(wěn)定性影響因素計(jì)算分析

3.1 墩高影響

由墩高所引起的高墩穩(wěn)定性變化是十分明顯的，本文分別計(jì)算了46～166m的墩高下橋梁最大懸臂階段的屈曲安全系數(shù)。由此可以清晰地看出墩高變化對(duì)高墩穩(wěn)定的影響，即墩高越高，所對(duì)應(yīng)的高墩穩(wěn)定性越低。其中墩高從46m變化到106m時(shí)尤為明顯，而墩高高于106m后穩(wěn)定性隨墩高的變化逐漸減小。當(dāng)墩高達(dá)到166m以后，橋梁的最大懸臂狀態(tài)下的第一階屈曲安全系數(shù)低于10，有必要在施工時(shí)采取相應(yīng)的措施保證橋梁施工的安全。表3、圖5分別表達(dá)了不同墩高在各模態(tài)下的屈曲安全系數(shù)。

3.2 橋墩壁厚影響

本文所研究的高墩為變截面單薄壁箱型墩，在研究壁厚引起高墩穩(wěn)定性變化時(shí)，對(duì)壁厚分別增大了20%，40%，60%，80%，100%，從而得到在不同壁厚下高墩的屈曲安全系數(shù)。由圖6可知，墩壁厚度的變化對(duì)高墩的穩(wěn)定性能夠產(chǎn)生影響，即隨著墩壁厚的增大，高墩的屈曲安全系數(shù)越大，高墩的穩(wěn)定性也越強(qiáng)。壁厚增大比例在0～40%之間時(shí)，高墩穩(wěn)定性的增強(qiáng)較為明顯；當(dāng)增大比例超過(guò)40%時(shí)，高墩穩(wěn)定性的增強(qiáng)逐漸變緩。由計(jì)算可知，當(dāng)墩壁厚增大100%，高墩第一階屈曲安全系數(shù)僅增大25.7%。由此可以得知，單純地增大單薄壁高墩的墩壁厚度并不能顯著提高高墩的穩(wěn)定性，并且隨著壁厚的增大，橋墩的造價(jià)將有著很大的增加。因此，僅通過(guò)增大單薄壁高墩壁厚改善高墩穩(wěn)定性的方法并不合算。表4為不同壁厚增大比例在各模態(tài)下的屈曲安全系數(shù)。

表3 不同墩高在各模態(tài)下的屈曲安全系數(shù)

圖5 不同墩高在各模態(tài)下的屈曲安全系數(shù)

圖6 不同壁厚增大比例在各模態(tài)下的屈曲安全系數(shù)

表4 不同壁厚增大比例在各模態(tài)下的屈曲安全系數(shù)

3.3 橋墩材料影響

本文為了探明橋墩所采用的材料對(duì)高墩穩(wěn)定性的影響，選取從了從C25到C70的混凝土強(qiáng)度等級(jí)，從而得到不同材料等級(jí)下高墩的屈曲安全系數(shù)（見(jiàn)表5）。由圖7可知，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，高墩的屈曲安全系數(shù)逐漸增加，但增加速度逐漸減慢。這說(shuō)明混凝土等級(jí)的提高對(duì)橋墩屈曲安全系數(shù)有著一定的積極作用，但達(dá)到某一等級(jí)后，效果便不再明顯。并且，隨著混凝土等級(jí)的提高，高墩的安全性、造價(jià)及施工工藝等將發(fā)生很大的變化，需要綜合各方面因素來(lái)確定最合理的混凝土等級(jí)。

表5 不同混凝土等級(jí)在各模態(tài)下的屈曲安全系數(shù)

圖7 不同混凝土等級(jí)在各模態(tài)下的屈曲安全系數(shù)

4 結(jié)論

本文以某高墩特大橋工程設(shè)計(jì)為例，根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)和尺寸，建立Midas計(jì)算模型，計(jì)算得到成橋階段及施工最大懸臂階段的屈曲安全系數(shù)，并對(duì)影響高墩穩(wěn)定性的主要因素做了探討，結(jié)果表明：

（1）最大懸臂階段穩(wěn)定性與成橋階段相比更為不利，且風(fēng)荷載對(duì)穩(wěn)定性影響很小；

（2）隨著橋墩的增高，高墩穩(wěn)定性逐漸降低，但變化率逐漸減??；

（3）增大墩壁厚度可以增加高墩的穩(wěn)定性，但是效果并不明顯；

（4）隨著選用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，對(duì)橋墩的穩(wěn)定性有一定的積極作用。實(shí)際工程中應(yīng)視安全等級(jí)和經(jīng)濟(jì)性來(lái)確定混凝土的強(qiáng)度等級(jí)。

[1]馬保林.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋 [M].北京：人民交通出版社，2001：10-11.

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U448.23

：A

：1009-7716（2017）02-0055-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.02.017

2016-12-19

溫旭明（1988-），男，天津薊縣人，碩士，助理工程師，主要從事特殊橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究工作。