薄壁箱型截面高墩穩(wěn)定性分析

許華尚

摘? 要：文章主要介紹了某高速公路箱型截面高墩的穩(wěn)定分析，簡要說明了結構穩(wěn)定基本理論，探討了考慮材料非線性和幾何非線性的橋墩穩(wěn)定性行為，并討論了橋墩截面高度或寬度的變化對穩(wěn)定性的影響，從穩(wěn)定的角度為橋墩截面設計提供依據(jù)，可為類似工程設計提供一定借鑒。

關鍵詞：箱型薄壁墩;穩(wěn)定分析;非線性

Abstract： This paper mainly introduces the stability analysis of a high pier with box section of a highway， briefly describes the basic theory of structural stability， discusses the stability characteristics of the pier considering material nonlinearity and geometric nonlinearity， and discusses the influence of the change of the height or width of the pier section on the stability， which provides the basis for the design of the pier section from the stability， and can provide some reference for similar engineering design.

山區(qū)高速公路建設條件相對復雜，地形起伏變化較大，不良地質就較多，橋梁往往選用高墩大跨。研究表明，當橋墩高度超過50m時，較多選用空心薄壁墩，而此類橋墩具有一定的特殊性，其穩(wěn)定性較差，穩(wěn)定問題往往成為設計和施工過程中的控制因素[1-2]。

1 結構穩(wěn)定的基本理論及設計思路

結構的失穩(wěn)是指在外力作用下結構的平衡狀態(tài)開始喪失穩(wěn)定性，結構失去正常工作能力的現(xiàn)象。結構的穩(wěn)定問題可分為彈性穩(wěn)定（第一類穩(wěn)定）和彈塑性穩(wěn)定（第二類穩(wěn)定），其中彈性穩(wěn)定力學模型所得到的臨界荷載可作為彈塑性穩(wěn)定承載力的上限，而彈塑性穩(wěn)定在一定程度上代表了體系的極限承載能力[3]。

一類穩(wěn)定不考慮材料與幾何的非線性問題，是理想狀態(tài)下的特征值求解，可歸屬于彈性穩(wěn)定。二類穩(wěn)定問題表現(xiàn)出明顯的非線性效應，隨著荷載的增加在應力比較大的區(qū)域出現(xiàn)塑性變形，結構變形很快增大，當荷載達到一定數(shù)值時，即使不再增加，結構變形也自行迅速增大而致結構破壞。在分析二類穩(wěn)定時，往往需要同時考慮材料非線性和幾何非線性，屬于彈塑性穩(wěn)定。

高墩的穩(wěn)定問題是高墩承載力設計中的關鍵問題之一，與強度問題有同等重要意義和地位。本文將針對施工和運營過程的典型工況，分別分析了橋墩的彈塑性的破壞歷程，得出了穩(wěn)定系數(shù)。本文基于數(shù)值分析方法，主要采用簡化的壓彎桿件模型，分析薄壁箱型橋墩的穩(wěn)定承載能力性能，并對橋墩截面構造設計給予合理支撐。

2 工程概況

某山區(qū)高速公路路基全寬27m，橋梁分幅布置，單幅橋面寬度13m。橋梁設計基本風速30.5m/s。某聯(lián)橋梁上部結構采用4×40m跨徑先簡支后連續(xù)混凝土小箱梁，下部墩柱采用箱型截面薄壁墩，墩高65m。橋墩采用C40混凝土，擬采用等直橫截面如圖1所示，截面寬度5m，高度3m，壁厚0.5m，內置倒角0.5×0.5m，受力主筋直徑32mm，間距0.15m，雙層布置。

3 材料本構模型

（1）混凝土模型

混凝土的應力-應變曲線采用Rüsch建議的模型，忽略鋼筋約束混凝土的行為，曲線上身段采用拋物線形式，應力下降段采用水平直線，其中峰值應變ε0=0.002，破壞強度對應的極限應變?yōu)棣與u=0.003，如圖2所示。

（2）鋼筋本構模型

鋼筋的應力-應變曲線采用如圖3所示的理想彈塑性雙折線模型。

4 計算模型與原理

首先通過整體計算分析模型給出不同荷載工況下的墩頂荷載，如恒載、汽車荷載、制動力、風荷載等。另外，橋墩計算模型基本假定如下：

（1）橋墩墩底固結，墩頂自由。

（2）變形后的橋墩截面仍符合平截面假定。

（3）風荷載簡化成均布荷載作用在墩身上。

（4）忽略橋墩截面內的倒角和混凝土的抗拉強度。

橋墩任一截面的內力平衡方程為-Mi+N（v+v0）+Me=0，其中Mi為內彎矩，Me為其他荷載產生的彎矩。

5 荷載與工況

橋墩考慮的荷載情況如下[4]：

（1）恒載：各構件的重力荷載，按照《公路橋涵設計通用規(guī)范JTG D60-2015》確定，其中護欄的重力荷載平均分配給箱梁表面。

（2）汽車荷載：考慮汽車沖擊系數(shù)和偏載系數(shù)。

（3）制動力：按橋墩和支座聯(lián)合剛度分配。

（4）風荷載：運營風速：25m/s，百年一遇風速：30.5m/s。

（5）溫度荷載：通過整體分析模型，將日照、溫差產生的墩頂位移，計入橋墩的初始缺陷中。

按照上述荷載可能一起出現(xiàn)的情況進行荷載組合，得到荷載工況。橋墩穩(wěn)定分析時，應考慮橋墩施工和成橋階段的荷載工況。橋墩施工過程中，最不利荷載工況對應橋墩承受最大不平衡荷載組合，即僅橋墩一側架設完梁，橋墩偏心受壓，并承受縱向風荷載。橋墩運營過程中，最不利荷載工況對應橋墩承受最大豎向荷載作用或承受最大水平力荷載作用。

擬采用荷載工況如下：

（1）工況1：恒載+風荷載。

（2）工況2：恒載+汽車荷載+制動力+風荷載。

（3）工況3：恒載+百年一遇風荷載。

6 穩(wěn)定分析

在實際工程中，橋墩難免存在初始缺陷，如幾何偏差、垂直度偏差、材料不均勻、溫度效應等。本文數(shù)值分析采用綜合的幾何缺陷代表值，即考慮橋墩施工的允許誤差、支點的安裝偏差、日照溫差引起的位移等，最大值取為墩高的1/300，幾何缺陷形狀用正弦波來模擬[5]。

針對箱型截面橋墩的局部穩(wěn)定問題，一般可通過構造措施和必要的壁厚尺寸予以避免，本文暫不考慮[2]。

本文采用同時增加恒載和活載加載方式使橋墩達到極限承載力，即穩(wěn)定安全系數(shù)λ所對應的穩(wěn)定荷載等于λ（恒載+活載）。極限承載力狀態(tài)下的安全系數(shù)，可根據(jù)下式計算而得，即計入幾何、材料非線性的橋墩的穩(wěn)定安全系數(shù)=荷載安全系數(shù)×材料安全系數(shù)/工作條件系數(shù)=1.3×1.45/0.95=1.98，本文的安全系數(shù)取值為2.0。

通過上述計算分析，以墩頂順橋向位移作為參考指標，得到上述三個荷載工況下的荷載位移曲線如圖5所示。

根據(jù)圖5不同荷載工況對應的荷載位移曲線，不難看出，當荷載接近極限承載力的時候，橋墩截面在受力較大區(qū)域出現(xiàn)塑性變形，剛度下降明顯，變形加速增大。

由表1可知，幾種典型荷載工況下橋墩的極限荷載系數(shù)均大于2.0，均滿足穩(wěn)定要求。其中控制工況為運營階段工況3“恒載+百年一遇風荷載”，此時橋墩穩(wěn)定系數(shù)最小。

為了分析截面高度和寬度對橋墩的穩(wěn)定安全系數(shù)的影響，保持橋墩的配筋形式不變，僅改變截面的高度或寬度，在荷載工況3下，橋墩穩(wěn)定系數(shù)的變化情況如圖6和圖7所示。

從圖6發(fā)現(xiàn)，橋墩截面高度對橋墩穩(wěn)定安全系數(shù)影響敏感，隨著截面高度的增大，橋墩穩(wěn)定系數(shù)呈指數(shù)級增大。當截面高度小于3m，截面穩(wěn)定系數(shù)不滿足安全系數(shù)2.0要求。從圖7可以看出，橋墩截面寬度的變化對穩(wěn)定系數(shù)的影響較小，其對穩(wěn)定影響處于次要地位，這方面與其對橋墩彎曲剛度的影響是一致的。

綜上所述，本文分析的高度為65m的橋墩擬采用的截面尺寸及配筋形式，滿足結構的穩(wěn)定要求。

7 結束語

薄壁箱型截面高墩在山區(qū)高速路中應用較多，而該類橋墩的穩(wěn)定性通常是橋墩設計的控制因素。本文采用數(shù)值分析方法針對該類橋墩的穩(wěn)定性進行了近似分析，并對材料的本構模型、橋墩的邊界條件及其承受的荷載等進行了簡化處理，略去了次要影響因素，分析了該類橋墩的彈塑性穩(wěn)定的破壞歷程，并討論了截面的高度或寬度的變化對橋墩穩(wěn)定安全系數(shù)的影響。總的來說，本文對工程實踐仍具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]張運波.薄壁空心高墩的溫度效應及其對穩(wěn)定性影響的研究[D].北京：中國鐵道科學研究院，2010.

[2]嚴成俊.薄壁空心橋墩截面構造研究[D].重慶：重慶交通大學，2010.

[3]李國豪.橋梁結構穩(wěn)定與振動（修訂版）[M].北京：中國鐵道出版社，2003.

[4]JTG D60-2015.中華人民共和國交通部，公路橋涵設計通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[5]GB 50017-2017.中華人民共和國國家標準，鋼結構設計標準[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2018.