山區(qū)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋高墩穩(wěn)定性有限元分析

向亞軍

摘要：大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋是跨越深谷山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)的主要形式之一。文章以（106+200+106） m連續(xù)剛構(gòu)橋主墩為分析對象，基于ANSYS有限元軟件，考慮風(fēng)荷載和結(jié)構(gòu)自重作用，對該橋177.4 m高雙肢薄壁-箱型組合墩在裸墩下的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并對比分析了不同壁厚和橋墩分叉點位置對穩(wěn)定性的影響。

關(guān)鍵詞：連續(xù)剛構(gòu);有限元;雙肢薄壁-箱型組合墩;穩(wěn)定性;分叉點位置

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋梁由于主墩能夠分擔(dān)部分彎矩作用，主梁跨度整體大于連續(xù)梁橋，且主墩順橋向抗推剛度可以減少混凝土主梁溫度和收縮徐變效應(yīng)[1]，因此該橋型在山區(qū)橋梁中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計時，主梁跨徑越大，其主墩高度越高，高墩在平衡全橋受力的同時，其自身穩(wěn)定性也是目前設(shè)計和施工的重點。趙文學(xué)和周立平等分別從施工技術(shù)保障措施和施工監(jiān)控角度對連續(xù)剛構(gòu)高墩穩(wěn)定性進(jìn)行了研究[2-3]。唐峰等對連續(xù)剛構(gòu)雙肢薄壁墩穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并對比了橋墩各參數(shù)的影響[4]。

目前研究中大多數(shù)以傳統(tǒng)雙肢薄壁墩為研究對象，橋墩高度有限，基本在80 m以下，而大跨徑連續(xù)剛構(gòu)主墩高度可能超過100 m，甚至接近主梁跨徑，橋墩類型也較多采用雙肢薄壁-箱型組合墩。目前文獻(xiàn)對該橋墩形式缺少相關(guān)的系統(tǒng)與深入研究，因此對該橋墩形式進(jìn)行研究是必要的和有意義的。本文以國內(nèi)某山區(qū)（106+200+106） m連續(xù)剛構(gòu)工程項目為背景，基于ANSYS有限元軟件，分析了該橋所采用的177.4 m雙肢薄壁-箱型組合墩在裸墩下的穩(wěn)定性，并分析了橋墩主要設(shè)計參數(shù)對穩(wěn)定性的影響，其計算結(jié)果有利于提高橋梁設(shè)計者對連續(xù)剛構(gòu)高墩穩(wěn)定性的認(rèn)識。

1 工程背景

國內(nèi)某工程為跨越180 m深溝，擬采用（106+200+106） m連續(xù)剛構(gòu)作為主橋設(shè)計方案，主梁采用變截面單箱單室混凝土箱梁形式，主墩處高12.5 m，跨中高4.5 m，主墩均采用雙肢薄壁-箱型組合墩，墩高分別為80.0 m和177.4 m，過渡墩均采用矩形實體墩形式，其墩高分別為28.2 m和26.3 m。該連續(xù)剛構(gòu)橋墩下均接承臺和樁基礎(chǔ)。橋型布置如圖1所示。

對于本橋而言，主跨200 m連續(xù)剛構(gòu)上部結(jié)構(gòu)形式在國內(nèi)已經(jīng)得到應(yīng)用，不是本項目的設(shè)計難點。然而177.4 m主墩在國內(nèi)應(yīng)用較少，特別是考慮施工過程影響，兼顧山區(qū)風(fēng)荷載作用，裸墩穩(wěn)定性是重點分析環(huán)節(jié)。本文以177.4 m主墩為分析對象，對其穩(wěn)定性展開研究。該橋墩斷面形式如圖2所示。橋墩材料為C55混凝土，彈性模量Ec為3.55×104 MPa[5]。

由圖2可知，橋墩分為兩部分，上部80 m高度范圍內(nèi)采用雙肢薄壁形式，其余部分采用單箱三室斷面形式。其中雙肢薄壁斷面尺寸和箱型斷面兩側(cè)箱室尺寸一致，有利于施工控制。

2 穩(wěn)定性分析原理

穩(wěn)定性分析是保障橋梁結(jié)構(gòu)安全的重要內(nèi)容。橋梁工程中穩(wěn)定性問題一般指第一類穩(wěn)定問題，即通過對結(jié)構(gòu)彈性穩(wěn)定分析以期獲得結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形式和失穩(wěn)系數(shù)。在該類穩(wěn)定下，由勢能駐值原理得[6]：

計算得到：（1）前五階穩(wěn)定安全系數(shù)分別為20.6、25.5、30.6、77.3和155.6;（2）橋墩失穩(wěn)形式以彎曲失穩(wěn)為主，扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)形式的穩(wěn)定安全系數(shù)明顯大于彎曲失穩(wěn)的安全系數(shù);（3）該雙肢薄壁-箱型組合墩失穩(wěn)表現(xiàn)為縱橋向彎曲失穩(wěn)形式，雙肢部分是失穩(wěn)控制的關(guān)鍵部分。本文通過改變雙肢分叉點位置和橋墩主要截面尺寸參數(shù)對該雙肢薄壁-箱型組合墩進(jìn)行參數(shù)分析，以獲得主要影響參數(shù)，為設(shè)計和施工提供參考。

4 參數(shù)分析

4.1 分叉點位置

分叉點位置（即雙肢薄壁部分高度）影響結(jié)構(gòu)整體剛度，從而影響穩(wěn)定性分析結(jié)果。設(shè)計時，雙肢薄壁-箱型組合墩中雙肢高度一般控制在80 m左右。本次分析時，取橋墩總高度不變，分析雙肢部分高度hs在20～160 m范圍內(nèi)變化時對穩(wěn)定性的影響，并得到穩(wěn)定安全系數(shù)（以下均指第1階穩(wěn)定安全系數(shù)）如圖5所示。

圖5表明：橋墩總高度不變的情況下，改變分叉點位置對裸墩穩(wěn)定性的影響較大。當(dāng)雙肢薄壁部分高度處于60 m以下時，穩(wěn)定安全系數(shù)隨雙肢薄壁部分高度增大而增大，在高度為60 m時穩(wěn)定性安全系數(shù)達(dá)到最大值，即穩(wěn)定效果最好。當(dāng)雙肢薄壁部分高度>60 m時，穩(wěn)定安全系數(shù)隨雙肢薄壁部分高度增大而減小，說明此狀況下雙肢薄壁部分對結(jié)構(gòu)整體幾何剛度的削弱越來越明顯。從穩(wěn)定安全系數(shù)計算結(jié)果來看，建議該高度雙肢薄壁-箱型組合墩雙肢薄壁部分高度取為60 m。

4.2 截面尺寸參數(shù)

雙肢薄壁縱向總厚度b、雙肢薄壁縱向壁厚bz和橫向壁厚bh是雙肢薄壁-箱型組合墩主要設(shè)計參數(shù)。本文以上述三個截面參數(shù)為變量對橋墩穩(wěn)定性進(jìn)行分析。其中，b變化范圍取值為2.5～4.5 m;bz變化范圍取值為0.5～1.3 m;bh變化范圍取值為0.6～2.2 m，計算結(jié)果如圖6所示。

由圖6計算表明：

（1）隨雙肢薄壁縱向總厚度的增加，橋墩穩(wěn)定安全系數(shù)也隨之增加，前期增加較快，后期增加較慢;隨雙肢薄壁縱向壁厚增加，穩(wěn)定安全系數(shù)隨之減小，在bz從0.5 m變化到1.3 m過程中，穩(wěn)定安全系數(shù)變化趨勢接近2次拋物線形式;隨雙肢薄壁橫向壁厚增加，穩(wěn)定安全系數(shù)隨之減小，當(dāng)bh>1.0時，穩(wěn)定安全系數(shù)呈線性變化。

（2）就以上三個參數(shù)而言，雙肢薄壁縱向總厚度對橋墩穩(wěn)定安全系數(shù)影響最為明顯，雙肢薄壁縱向厚度次之，雙肢薄壁橫向壁厚影響最小，這與橋墩縱橋向失穩(wěn)形式密切相關(guān)，設(shè)計和施工時應(yīng)合理選取b和bz數(shù)值。

5 結(jié)語

本文基于ANSYS有限元軟件對主跨110 m連續(xù)剛構(gòu)177.4 m高雙肢薄壁-箱型組合墩進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，主要結(jié)論如下：

（1）所分析的177.4 m高雙肢薄壁-箱型組合墩失穩(wěn)形式以彎曲形式為主，其中第一階失穩(wěn)形式為縱橋向彎曲失穩(wěn)。

（2）分叉點位置對主墩穩(wěn)定性的影響較大，當(dāng)雙肢薄壁部分高度為60 m時，穩(wěn)定安全系數(shù)最大，數(shù)值為29.9。

（3）通過截面尺寸參數(shù)分析，雙肢薄壁縱向總厚度對主墩穩(wěn)定性的影響較大，縱向壁厚次之，橫向壁厚影響最小。

參考文獻(xiàn)：

[1]范立礎(chǔ).橋梁工程（上冊）[M].北京：人民交通出版社，2017.

[2]趙文學(xué).高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋施工穩(wěn)定性[J].黑龍江交通科技，2017，40（4）：102，104.

[3]周立平，李志勇，蔡 磊.高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋施工穩(wěn)定性分析[J].公路工程，2014，39（4）：226-230.

[4]唐 峰，李德建.山區(qū)高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋穩(wěn)定性與參數(shù)影響分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2016，13（3）：506-511.

[5]JTG3362-2018，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[6]王新敏. ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[7]JTG/T 3360-01-2018，公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范[S].