無橫隔板雙肢薄壁高墩穩定性分析

王 戈， 郭志豪， 黃 禹

(武漢理工大學 交通學院，武漢 湖北 430063)

0 引 言

大跨徑高墩橋梁的橋墩作為橋梁結構上下部承接的一環，不僅要承受上部結構施加的作用力，還要承受風效應、溫度效應等自然作用下所帶來的可變荷載和偶然荷載。因此，橋梁高墩穩定性一直是我國山區公路橋梁設計時極為關注的問題。為了保證橋梁在施工和運營過程中的正常使用，橋梁設計者需要準確把控設計高墩的整體穩定性和局部穩定性。

在以往的橋梁工程中，通常會在空心薄壁高墩中設置橫隔板，以維持結構的整體性[1]。然而，這一過程會大大增加高墩的施工難度和建設時長。高墩橫隔板的具體設置過程也并沒有明確的規范要求，通常是依賴于工程經驗，設計質量參差不齊，無法保證其安全效益[2,3]。通過近年來的大量工程實驗和學術研究發現[4,5]，就穩定性這一問題而言，若混凝土空心薄壁高墩滿足相應的判別條件，則其墩身可以不用設置橫隔板。本文就這一問題，對實際工程中最常見到的大跨徑連續剛構橋進行數值模擬分析，其中主橋雙肢薄壁高墩(高80 m)是現有高墩中較為集中的層次，具有廣泛的研究意義和實用價值。

1 工程概況

本文以黔北高原上的某座連續剛構橋作為工程背景，該橋分為左右兩幅，全長896.6 m。綜合考慮橋型布置和橋墩高度，選取位于右幅第二聯的主橋高墩進行有限元模擬。橋梁孔徑布置為(73+135+73) m變截面連續剛構，主墩采用雙肢薄壁空心墩，雙墩中間無系梁連接。兩主墩中的最大墩高為80 m，實際橋墩在墩身中心處設置一道1 m高的橫隔板，橋墩橫截面尺寸如圖1所示。

圖1 橋墩橫截面尺寸圖(單位: mm)

2 有限元模型

在有限元軟件MIDAS Civil中，采用梁單元模擬全橋的上下部結構。本次計算需對實體工程進行簡化(不考慮鋼筋的作用)[6]，全橋所用混凝土參數見表1。

表1 材料參數

本次穩定分析共建立了兩類數值模型，分別從全橋屈曲分析和高墩幾何非線性穩定分析兩個角度研究對比有無橫隔板對高墩剛構橋穩定性的影響。全橋模型共劃分為199個節點，192個單元。單獨對主橋1號高墩進行細化分析時，雙肢薄壁高墩加承臺共劃分為112個節點，109個單元。橋墩從上到下由4 m墩頂實體段、2 m墩頂過渡段、空心段、2 m墩底過渡段和4 m墩底實體段組成，中間空心段在1/2墩高處設置一道橫隔板。承臺底部邊界條件為固結，承臺與墩底、上部結構與墩頂之間均采用剛性連接，邊跨兩端支點先采用下方節點固結，再利用彈性連接來模擬實體支座。

圖2 高墩剛構橋模型圖

3 成橋狀態下全橋屈曲分析

本節對全橋模型進行屈曲分析，提取全橋結構的失穩模態和穩定系數。根據相關規范要求[8]，取縱向最不利荷載組合:1.2×恒載(一期+二期)+0.98×溫度效應(系統降溫25℃)+1.1×縱向風荷載。恒載包括一期結構自重和二期橋面鋪裝。一期恒載取1.04倍結構自重；二期恒載包括10 cm混凝土鋪裝、10 cm瀝青鋪裝和欄桿自重;橋墩縱向風荷載為梁單元均布荷載。

在上述荷載組合作用下，全橋各階模態的失穩圖如圖3～圖5所示，失穩模態結果匯總見表2。

圖3 全橋一階失穩圖

圖4 全橋二階失穩圖

圖5 全橋三階失穩圖

表2 全橋墩身有無橫隔板前三階失穩模態結果

從表2可以看出，無論墩身是否設置橫隔板，高墩剛構橋在該荷載工況下的穩定系數都大于規范的要求值，說明該橋成橋階段的結構穩定性足以抵抗自身荷載、溫度作用以及風荷載帶來的不利影響。對比有橫隔板和無橫隔板全橋模型的前三階屈曲特征值，發現第二階和第三階時前者大于后者，而第一階時卻狀態相反，說明不僅是墩身的截面構成，結構自重對系數值影響同樣不可忽視。兩組模型的屈曲模態有一定的差別，說明在墩身1/2墩高處設置橫隔板對該高墩橋梁的線性穩定具有些微影響，但影響不大，不影響屈曲變形的方向。前三階穩定系數差值在0.01～0.03，不設置雙肢薄壁墩的墩身橫隔板，該橋的線穩定系數仍滿足安全要求。

4 運營狀態下橋墩幾何非線性分析

橋梁在運營狀態下，高墩不僅要承受上部結構的自重，還要承受移動荷載所造成的附加干擾。故相對于成橋狀態，高墩在運營狀態下的受力情況更加嚴峻，需要將結構受力最危險的高墩提取出來，對其穩定性做進一步的研究和分析。在MIDAS Civil中，具體分析步驟如下：

(1) 構造全橋運營狀態下的最不利荷載組合工況：1.2×恒載(全橋)+1.4×移動荷載(兩車道)+0.98×汽車制動力。

(2) 對全橋模型在上述工況下進行受力分析，提取各墩墩頂內力。

(3) 選出1號主墩，進一步細化單元，施加屈曲分析的不變荷載(1.2×墩身自重)和可變荷載[1×墩頂內力+0.98×溫度效應(墩身系統降溫25℃)+1.1×縱向風荷載]。

(4) 特征值屈曲分析，提取結構的穩定安全系數、屈曲模態和屈曲向量。

(5) 賦予高墩初始變形，利用位移控制法進行幾何非線性穩定分析，提取荷載-位移曲線，計算出幾何非線性特征值。

在上述全橋荷載組合下，提取雙肢薄壁高墩的墩頂內力，數據值見表3。

表3 橋墩墩頂內力表

圖6為1號墩在運營狀態下前三階的屈曲對照圖。從圖6中可以看出，運營狀態下，有無橫隔板兩種高墩模型的第一階線彈性穩定系數都在10左右，相較于成橋狀態下的全橋屈曲系數有了小幅度的下降，但仍高于規范安全值。說明運營狀態下的高墩穩定性才能代表結構的最強穩定性能。下面通過運營狀態下高墩荷載-位移曲線中的突變點(圖7、圖8)，計算出有無橫隔板兩種模型的第一階幾何非線性穩定系數。

圖6 運營狀態下1號墩前三階屈曲對照圖

圖7 運營狀態下有橫隔板墩墩頂荷載-位移圖

圖8 運營狀態無橫隔板墩墩頂荷載-位移圖

經過計算，原墩和不設置橫隔板兩種高墩模型的一階幾何非線性特征值分別為7.23和6.94，都能滿足結構的穩定性要求，并且具有一定量的安全儲備。前后者數值相差較小，降幅為4.0%。說明在橋梁運營狀態，墩身橫隔板對提升橋墩整體穩定性的貢獻并不明顯。

5 結 論

(1) 溫度和風荷載對橋梁穩定性的影響相對自重影響來說非常小。在橋梁墩身設計過程中，不光要考慮墩身的截面構造，還要考慮增加橫隔板自身重量對穩定性系數的影響。

(2) 在正常情況下，無論墩身是否設置橫隔板，該工程背景下的雙肢薄壁高墩剛構橋在建設過程中到成橋通車，結構的穩定性都足以抵抗自身荷載、溫度作用、風荷載以及移動荷載所帶來的不利影響。墩身橫隔板對提升高墩整體穩定性的貢獻并不明顯。