薄壁高橋墩穩(wěn)定行為及施工控制技術(shù)研究

熊烈

摘 要：隨著時(shí)代科技的不斷發(fā)展，我國(guó)公路工程項(xiàng)目的建設(shè)也得到了大跨度的飛躍，其中較為突出的薄壁高橋墩的使用范圍越來(lái)越廣。但是由于薄壁高橋墩的施工技藝在我國(guó)施行時(shí)間不是特別長(zhǎng)，導(dǎo)致薄壁高橋敦的穩(wěn)定性一直沒(méi)有得到很好的處理。文章通過(guò)對(duì)薄壁高橋敦穩(wěn)定行為及其施工控制技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的科學(xué)研究，望得出的結(jié)論可以給相關(guān)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)實(shí)際的幫助。

關(guān)鍵詞：薄壁高橋墩；穩(wěn)定承載力；施工技藝；控制研究

橋墩在橋梁的穩(wěn)定設(shè)計(jì)中具有非常重要的影響作用，它主要的功能是可以對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的荷載進(jìn)行相應(yīng)的支撐。這種支撐力可以打讓高架橋在使用中保持穩(wěn)定性。橋墩不僅要承受上部結(jié)構(gòu)帶來(lái)的豎向壓力，也要承擔(dān)橋身自身所具有的重力。與此同時(shí)，風(fēng)力流水壓力等這些外部壓力也會(huì)對(duì)橋墩的穩(wěn)定性構(gòu)成相應(yīng)的威脅。所以相關(guān)施工與設(shè)計(jì)人員應(yīng)該積極對(duì)橋墩的穩(wěn)定性進(jìn)行技術(shù)上的研究，尋找出更為科學(xué)的辦法，讓薄壁高架橋的橋墩穩(wěn)定性可以得到良好的保障。

1 研究意義

我國(guó)近年來(lái)建造的橋梁，下部結(jié)構(gòu)的造型也有了顯著的變化，改變了橋墩粗、大、實(shí)的軀體，向著輕型、薄壁、注意造型的方向發(fā)展，從而提高了橋梁下部結(jié)構(gòu)的功能和結(jié)構(gòu)的美感。不管怎樣發(fā)展，橋墩都應(yīng)保證有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，避免在荷載作用下的過(guò)大位移和轉(zhuǎn)動(dòng)。鋼筋混凝土薄壁墩是一種新型橋墩，截面型式有一字形、工形、箱形等，圓形的薄壁空心墩也是鋼筋混凝土薄壁墩的類型之一。一字形的薄壁墩構(gòu)造簡(jiǎn)單施工步驟少，適用于地基承載力較弱的地區(qū)。雙壁墩是在墩位上有兩個(gè)相互平行的墩壁與主梁鉸接或剛接的橋墩。鋼筋混凝土雙壁墩可增加橋墩剛度，減少主梁支點(diǎn)負(fù)彎矩，增加橋梁美觀。雙壁高墩在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁采用墩梁固結(jié)體系中是一種理想的柔性墩，它既能支承上部結(jié)構(gòu)、保持橋墩穩(wěn)定，又有一定柔性，適用上部結(jié)構(gòu)位移的需要。鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土形墩、形墩及形墩，可在混凝土梁橋中使用，它在同樣跨越能力情況下，縮短梁的跨徑、降低梁高，結(jié)構(gòu)輕巧美觀，因此在城市跨線橋中較常采用。

2 高橋墩穩(wěn)定問(wèn)題的理論研究

2.1 穩(wěn)定問(wèn)題的基本概念

在工程結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件、部件及整個(gè)結(jié)構(gòu)體系都不允許發(fā)生失穩(wěn)。屈曲不僅使工程結(jié)構(gòu)發(fā)生過(guò)大的變形，而且往往導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)中，不斷利用高強(qiáng)輕質(zhì)材料，在大跨度和高層結(jié)構(gòu)中，穩(wěn)定問(wèn)題顯得尤為突出。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問(wèn)題不同于強(qiáng)度問(wèn)題，結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)與材料的強(qiáng)度沒(méi)有密切的關(guān)系。在研究結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問(wèn)題時(shí)，一般都認(rèn)為結(jié)構(gòu)體系是幾何不變的。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能是決定其承載力的一個(gè)特別重要的因素，穩(wěn)定理論和設(shè)計(jì)方法需要完善。近幾十年來(lái)，在研究發(fā)揮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能的潛力和完善穩(wěn)定計(jì)算的理論方面，國(guó)內(nèi)外都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

2.2 高橋墩穩(wěn)定性分析

研究平衡狀態(tài)的臨界荷載的計(jì)算時(shí)，所討論的體系都是某一理想體系。如認(rèn)為壓桿的軸線是直線壓力總是通過(guò)截面的形心材料是均勻的等等。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，這些條件通常是不可能完全滿足的，而存在著某些“缺陷”壓桿具有一定的初始彎曲作用于桿件的壓力難免有些偏心壓桿除受軸力外，還可能作用有些橫向荷載。通常把不符合巡想情況的這些因素稱為“初始缺陷”。這些因素都起著“擾動(dòng)”的作用，影響著體系的受力性能。我們可利用接近理想體系的不完善體系有初始缺陷，令其特征參數(shù)等于零，來(lái)確定理想體系的穩(wěn)定特征。當(dāng)荷載接近于按理想體系算出的臨界值時(shí)，初始缺陷的影響將急劇增長(zhǎng)。可把這一特征作為理想體系的穩(wěn)定準(zhǔn)則，它稱為初始缺陷準(zhǔn)則。

3 高橋墩的模型試驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)工程基本情況介紹

文章通過(guò)對(duì)位于我國(guó)國(guó)道主干線一薄壁高架橋的技術(shù)研究，介紹了設(shè)計(jì)荷載上的施工技術(shù)。這座高架橋上部結(jié)構(gòu)14跨40m的預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支橋梁，每個(gè)跨度中間各有十片主梁組裝而成。高架橋結(jié)構(gòu)是兩個(gè)重力橋臺(tái)和十三個(gè)雙豎式的橋墩。橋墩的墩身結(jié)構(gòu)形式是變截面空心薄壁結(jié)構(gòu)，橋墩地面以下部分主要為實(shí)心立柱嵌入新鮮的巖層，這樣可以使橋墩承受壓力的指數(shù)增加。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同于一般的樁基和擴(kuò)大基礎(chǔ)，在優(yōu)勢(shì)上主要表現(xiàn)為可以承載更多的壓力。這座高架橋空心薄壁高墩采用的施工是翻模技術(shù)，在實(shí)際施工過(guò)程中為了防止橋墩的墩基出現(xiàn)震動(dòng)的情況，需要在每個(gè)橋墩中間橫梁的位置預(yù)設(shè)一個(gè)錨筋，這樣的處理可以使高架橋墩提升對(duì)于風(fēng)浪的抗沖擊力。

3.2 相似模型試驗(yàn)研究的目的

為了保證這這座高架橋在施工使用階段保證橋墩上的安全穩(wěn)定性，工人在施工過(guò)程中應(yīng)該在不同的階段使用不同的施工方法。可以根據(jù)不同的受力情況對(duì)相似理論上的設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。首先應(yīng)該將施工過(guò)程中遇到的實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量的結(jié)果將使用階段的應(yīng)力以及位移的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行穩(wěn)定結(jié)構(gòu)上的分析。最后，通過(guò)計(jì)算在施工過(guò)程中的測(cè)量數(shù)據(jù)，將得出的結(jié)果作為實(shí)際施工的參考。

3.3 模擬施工階段的加載

為了讓橋墩的穩(wěn)定性可以得到良好保障，需要對(duì)橋墩進(jìn)行配重上的處理。按照國(guó)家橋梁設(shè)計(jì)相關(guān)施工標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該對(duì)每一個(gè)配種區(qū)段的配重量進(jìn)行相應(yīng)的掛靠處理。配重量主要該掛靠在重力區(qū)段的二分之一高處，并按照左右方向?qū)蚨盏捻来a掛在同一高度水平線上的不同方位。一般情況下，橋梁施工人員會(huì)設(shè)計(jì)八個(gè)配重砝碼掛靠區(qū)域，這些配重需要按照橋墩從高向下的順序依次添加，并且在進(jìn)配重施工時(shí)需要對(duì)每一個(gè)步驟的數(shù)據(jù)都進(jìn)行相應(yīng)的記錄。

在橋墩設(shè)計(jì)過(guò)程中，還要將相應(yīng)的自身重力進(jìn)行考慮，重力上的規(guī)律表現(xiàn)為臨界壓力越小，自重會(huì)將臨界壓力進(jìn)行相應(yīng)的分擔(dān)，此時(shí)可以忽略桿柱自重的設(shè)計(jì)，一般情況下，自重對(duì)于橋墩穩(wěn)定性上的影響較小。

在橋梁設(shè)計(jì)規(guī)劃過(guò)程中還要對(duì)浪峰的壓力進(jìn)行計(jì)算與加載，可以根據(jù)當(dāng)?shù)剌^為常見(jiàn)的氣候條件特點(diǎn)，將最佳的浪風(fēng)扣點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。浪峰由于是對(duì)稱加載的，所以水平方向上的施加重力會(huì)保持相互平衡的狀態(tài)，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)可以不對(duì)著部分的平衡壓力進(jìn)行考慮。試驗(yàn)時(shí)考慮的重點(diǎn)主要分布在浪峰對(duì)于橋墩穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，所產(chǎn)生的豎向壓力。

4 結(jié)論

通過(guò)以上的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論，薄壁高橋敦設(shè)計(jì)與使用具有輕型美觀并且造價(jià)低等優(yōu)勢(shì)，可以在橋梁工程建設(shè)中進(jìn)行大面積的推廣。但是由于技術(shù)施工上的問(wèn)題，高橋墩在施工與運(yùn)行階段可能會(huì)出現(xiàn)一些無(wú)法預(yù)測(cè)的問(wèn)題。這就需要相關(guān)的設(shè)計(jì)施工人員，根據(jù)施工場(chǎng)地上的實(shí)際情況，對(duì)施工上所使用的技藝以及方法進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，進(jìn)一步完善和保障高架橋橋墩的穩(wěn)定性，讓高橋盾的應(yīng)力以及位移數(shù)據(jù)都可以接近實(shí)測(cè)值，并且將實(shí)際施工中的誤差控制在最小的范圍以內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

[1]張家維.鋼筋混凝土矩形高橋墩的穩(wěn)定性研究[D].南京理工大學(xué)，2016.

[2]馮鑫.橫向沖擊作用下高橋墩的非線性動(dòng)力穩(wěn)定性分析[D].湖南大學(xué)，2011.

[3]宋君晗.地震引起地基運(yùn)動(dòng)時(shí)高橋墩的非線性動(dòng)力屈曲分析[D].湖南大學(xué)，2010.

[4]呂洪舉.基于仿生學(xué)的鋼筋混凝土高橋墩優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].西安理工大學(xué)，2006.