獨柱墩橋梁的結構穩定性分析

周超

摘要：在偶然超載的情況下，獨柱墩橋梁有失穩的隱患，必須對其結構穩定性進行定性和定量分析。本文以實際工程結構穩定計算為例，希望為獨柱墩橋梁的結構穩定性分析提供技術參考。

關鍵詞：獨柱墩;橋梁;結構穩定性

1 工程概況

某橋平面設計線位于R=450m的圓曲線上，由于需要跨老國道，為保證通車要求采用22+38+22m的預應力砼連續箱梁，下部為獨柱式橋墩。其主要材料如下：

1.1 混凝土：

箱梁砼：C50混凝土;橋墩和墩帽砼：C40混凝土;橋面鋪裝：13cm厚鋼筋砼

1.2 普通鋼筋：

采用R235鋼筋，抗拉強度設計值為195MPa;

采用HRB335鋼筋，抗拉強度設計值為280MPa;

2 計算參數

2.1 橋梁幾何參數

該計算聯為22+38+22m的現澆預應力混凝土等高度連續箱梁，下部結構12、13號橋墩為獨柱墩，立柱的尺寸為1.6*1.3m;兩側的11、14號墩為樁柱式橋墩，基礎為鉆孔樁基礎。箱梁梁體頂板寬9.5m，高2.0m，底板寬度5.0m;翼緣處頂板高0.2m，頂底板厚0.25m，腹板0.4m，端部處腹板0.6m。

2.2 荷載設計參數

2.2.1 永久作用

2.2.1.1 箱梁自重

由計算程序自動根據梁體計算。

2.2.1.2 橋面鋪裝

橋面為13cm厚的鋼筋砼，鋼筋砼的重力密度取25.0kN/m³，橋面凈寬8.5m，所以鋪裝層的單位長度質量為：25×0.13×8.5=27.625kN/m。

2.2.1.3 防撞護欄

單側護欄折算線荷載集度26×0.28=7.28kN/m，兩側護欄總線荷載集度14.56kN/m。

2.2.1.4 橫隔板自重

橫隔板自重根據橫隔板尺寸計算，以節點集中力作用于橋梁上。三跨中僅38m跨中有一橫隔板，折算其自重為25×4.87=121.75kN。

2.2.1.5 基礎變位

支座沉降按L/3000計算，即0.013m。

2.2.1.6 收縮徐變

在計算中考慮10年的收縮徐變影響。

2.2.2 可變作用

2.2.2.1 汽車荷載

雙車道，設計速度60kN/h，設計荷載為公路II級，驗算時按實際運營狀況采用公路I級荷載;雙車道布載分兩種不利情況，沿外側最邊緣布置兩個車道荷載和沿內側最邊緣布置兩個車道荷載。

2.2.2.2 汽車沖擊力

輸入相關橋梁數據，由MIDAS自動計算橋梁的沖擊系數。

2.2.2.3 離心力

離心力系數值為。

2.2.2.4 全橋溫度荷載

取全橋升溫+20℃，全橋降溫-20℃計算。

2.2.2.5 日照溫度梯度荷載

橋面鋪裝鋼筋砼13cm，取T₁=25℃， T₂=6.7℃。

3 結構有限元分析

計算采用MIDAS建立雙支座模型，模擬橋梁的雙支座，與實際支座設置情況較符合;根據實際情況在模型中輸入預應力鋼束和普通鋼筋。根據建立的MIDAS雙支座模型，全橋離散成單元64個，均為主梁單元，節點71個。

3.1 MIDAS計算模型

MIDAS計算空間模型和獨柱墩模型示意圖如圖1：

3.2 荷載組合

3.2.1 支座反力各個標準值計算時應考慮以下幾個工況：

工況1：永久荷載+全橋升溫+日照溫差+汽車荷載（內車道，含沖擊力）

工況2：永久荷載+全橋降溫+日照溫差+汽車荷載（內車道，含沖擊力）

工況3：永久荷載+全橋升溫+日照溫差+汽車荷載（內車道，含沖擊力）+離心力

工況4：永久荷載+全橋降溫+日照溫差+汽車荷載（內車道，含沖擊力）+離心力

以上工況中，內車道布載主要檢驗外側支座，離心力為有利因素，故不參與組合;外車道布載主要檢驗內側支座，離心力為不利因素，故參與組合。但規范中規定當彎道橋的曲線半徑小于等于250m時應計算汽車荷載引起的離心力，此橋半徑大于250m，因此該橋不計離心力的影響。

3.2.2 各工況支座豎向反力結果如表1（單位：KN）

由計算結果可以看出，所有工況支座豎向反力Fz均不出現負值，說明所有荷載組合工況下支座都不會脫空。

3.3 獨柱橋墩抗傾覆穩定計算中需考慮的荷載組合有：

由于該橋橋墩的橫向剛度大于其縱向剛度，因此對于該橋墩的抗傾覆穩定驗算時，只需考慮橋墩在順橋向的穩定性。

對于本橋的計算在考慮橋墩在順橋向的穩定性時，主要考慮的荷載組合主要有以下工況：

工況5：永久荷載+汽車荷載不利反力+制動力+溫度力;

工況6：永久荷載+汽車荷載不利反力+制動力+離心力+溫度力，當制動力與離心力同時計算時，制動力取70%來計算。

橋墩的抗傾覆穩定系數K₀=N·X/M≥1.5（這里定義橋墩在沿橋向為X軸，橫橋向為y軸）;計算結果如表2。

4 結語：

通過對獨柱墩橋梁按實際運營狀況（公路I級荷載）進行驗算，可知該橋梁在活載偏載作用下，獨柱墩橋梁的各個支座均不會出現脫空，相應的獨柱墩抗傾覆穩定性良好，結構穩定安全。但在日常的公路管理和養護過程中，也要加強對獨柱墩橋梁結構的裂縫觀測，加強對超載運輸車輛的管理，以確保橋梁在運營過程中的安全。

參考文獻：

[1]《公路工程技術標準》（ JTG B01-2003）;

[2]《公路橋涵設計通用規范》（ JTG D60-2004 ）