鋼筋混凝土支撐立柱受偏心荷載穩(wěn)定性淺析

周 杰 王 宇 貴建軍 賀青青

(1.中國船舶重工集團國際工程有限公司，北京 100121； 2.中船重工海鑫工程管理(北京)有限公司，北京 100121)

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，土地使用需求量日益加大，由于受到既有建構(gòu)筑物、交通等周邊眾多條件的限制，工程項目的施工環(huán)境變得越來越復(fù)雜。以工程建設(shè)項目中一種輔助支撐體系為例，滿堂支架作為橋梁等現(xiàn)澆混凝土工程的一種支撐方式，已經(jīng)極為成熟，但由于目前在城市中上跨市政路、高速公路和既有鐵路線修建橋梁的情況十分常見，滿堂支架往往受到場地限制而無法使用，因此需要尋求另外一種能節(jié)約場地同時又能滿足安全性和穩(wěn)定性要求的支撐方式。

鋼筋混凝土立柱作為支撐已有一定的應(yīng)用，其較素混凝土柱具有較高的承載力、較好的延性等力學(xué)性能，同時使施工過程變得簡潔方便，因此近些年鋼筋混凝土柱被廣泛的應(yīng)用于高層建筑、橋梁工程等結(jié)構(gòu)中用于承受大荷載作用[1]。因此研究鋼筋混凝土立柱支撐技術(shù)是十分有必要的，楊曉、李學(xué)建[2]、郭偉、李毅[3]、姚璐[4]等大量研究人員從施工、設(shè)計等方面進行了研究探討并獲取了一些研究成果。但研究鋼筋混凝土立柱作為支撐在偏心荷載作用下的穩(wěn)定性問題鮮有提及，本文結(jié)合具體項目，對不同工況下豎向偏心荷載對立柱穩(wěn)定性的影響進行了簡要的有限元分析。

1 項目背景

西北某地上跨既有公路線新建橋連續(xù)梁(40+64+40) m全長145.5 m，計算跨度(60+100+60) m，梁體類型為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)。箱梁頂寬12.2 m,底寬6.7 m。梁體各控制截面梁高分別為端支座處及邊跨直線段和跨中處為3.05 m，中支點處梁高6.05 m，箱梁底板下緣按二次拋物線變化，梁底拋物線方程為y=0.007 218x1.8。

新建橋梁以小角度跨越既有G312國道，該國道車流量較大，不適宜采用滿堂支架現(xiàn)澆方案施工，故設(shè)計采用懸灌法施工，兩個主墩上部懸灌結(jié)構(gòu)設(shè)計相同，主墩上部設(shè)置0號塊、塊長8.0 m，邊跨分為7節(jié)段，1段～2段長度為3.5 m，3段～7段長度為4.0 m，中跨、邊跨合龍段塊長均為2.0 m，現(xiàn)澆段長10 m。

為保證懸澆梁體的穩(wěn)定性，在各中墩兩側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土立柱。鋼筋混凝土立柱截面為0.95 m×0.95 m，混凝土標(biāo)號為C50，主筋為HRB335Ф25鋼筋，箍筋為HRB335Ф12鋼筋，立面圖及平面圖如圖1,圖2所示。

2 有限元分析

對于鋼筋混凝土立柱的安全性分析思路如下：

1)分析鋼筋混凝土立柱的工作狀況；

2)確定作用于鋼筋混凝土立柱上的最不利荷載；

3)對鋼筋混凝土立柱安全性進行論證。

鋼筋混凝土立柱荷載分析是其安全性驗算關(guān)鍵部分。

2.1 工作狀況分析

懸澆施工過程中考慮如下兩個方面的不平衡荷載，已施工梁段的混凝土容重存在5%的差異性與T構(gòu)兩端存在一個節(jié)段的混凝土不平衡容重。由于橋梁懸澆施工過程持續(xù)時間不長，對于臨時設(shè)施承受的風(fēng)荷載作用，一般按10年一遇考慮。

2.2 有限元模型

對于懸澆施工的橋梁，采用梁單元建模，對于鋼筋混凝土立柱用彈性連接來模擬，模型共256個單元，如圖3所示。邊界設(shè)置見圖4，鋼筋混凝土立柱與主梁用彈性連接相連，其中荷載較重的懸臂一側(cè)用一般彈性連接，另一側(cè)用只受壓彈性連接。

2.3 計算結(jié)果

1)5%不平衡容重施工。

最大反力發(fā)生在澆筑12號塊濕重時，最大反力如圖5，圖6所示，即鋼筋混凝土立柱所受的最大作用力為456.4 t。

2)一節(jié)段不平衡施工。

最大反力發(fā)生在澆筑12號塊濕重時，最大反力如圖7，圖8所示，即為984.3 t。

3)5%容重不平衡+一段不平衡。

最大反力發(fā)生在澆筑12號塊濕重時，最大反力如圖9，圖10所示，即為1 387.2 t。

4)風(fēng)荷載+5%容重不平衡+一段不平衡。

懸臂澆筑施工過程中，最大迎風(fēng)面積為579.2 m2，10年一遇風(fēng)壓取0.30 kN/m2，所受推力合力為437.88 kN，合力作用點距離橋面3.03 m，假定橋墩及兩側(cè)鋼筋混凝土立柱分別按承壓面積及豎向荷載的比例承受水平荷載。鋼筋混凝土立柱豎直面承受的橫向風(fēng)荷載按0.58 kN/m考慮(見圖11)。

在風(fēng)荷載作用下，單個臨時墩所受的豎向力為149.96 kN，最大水平力為7.47 kN。

通過上述的1)～4)分析可知，單個鋼筋混凝土立柱承受的最不利荷載為：

1)臨時最大豎向反力為6 947.24 kN；

2)最大水平推力為7.47 kN。

3 鋼筋混凝土立柱荷載偏心情況分析

底部固結(jié)鋼筋混凝土立柱分析計算模型如圖12所示，其最不利荷載工況為5%不平衡容重+一節(jié)段梁重+10年一遇風(fēng)荷載。為了考察鋼筋混凝土立柱的安全性，對不同偏心荷載條件下的立柱進行受力及穩(wěn)定分析，得到其應(yīng)力狀態(tài)與臨界荷載系數(shù)。其中臨界荷載系數(shù)又稱穩(wěn)定系數(shù)，是穩(wěn)定分析中對應(yīng)于某種荷載工況下，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到臨界失穩(wěn)狀態(tài)所需荷載與實際荷載的比值，小于1表明結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在實際荷載下已失穩(wěn)。

1)豎向荷載偏心0.1 m。

由圖13，圖14可知，偏心0.1 m的豎向荷載條件下，立柱臨時最大壓應(yīng)力13.6 MPa，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，其穩(wěn)定系數(shù)為9.76，滿足強度及穩(wěn)定性要求。

2)豎向荷載偏心0.25 m。

圖15，圖16給出了偏心0.25 m豎向荷載下立柱應(yīng)力結(jié)果，其最大壓應(yīng)力為20.9 MPa，最大拉應(yīng)力為4.7 MPa，超過C50混凝土的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值2.64 MPa。圖17表明其穩(wěn)定安全系數(shù)為9.76，穩(wěn)定性滿足要求。

通過上述計算分析可知，在0.1 m的偏心荷載條件下，立柱強度及穩(wěn)定性均滿足要求，而0.25 m偏心荷載條件下立柱已出現(xiàn)拉應(yīng)力且超過混凝土材料標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度，因此實際施工時宜控制偏心距不超過立柱邊長的10%。

4 結(jié)論和展望

通過上述的分析可知，在考慮5%混凝土容重差異及一節(jié)段不平衡施工的荷載條件下，鋼筋混凝土立柱軸壓強度和穩(wěn)定性滿足要求。但是荷載偏心分析時發(fā)現(xiàn)，立柱對拉、壓應(yīng)力變化十分敏感。因篇幅和筆者水平所限，本文僅模擬了兩種荷載偏心情形，考慮到現(xiàn)場施工條件的差異性，從保障工程施工可靠性及安全性角度建議：

1)須采取合適措施，保證傳遞到立柱的豎向荷載偏心距不大于立柱短邊的10%；

2)須采取合適措施，防止立柱被外力沖撞，做好立柱變形監(jiān)測；

3)加強立柱的構(gòu)造配筋采用雙根Φ25的鋼筋，并特別注意保持立柱與既有承臺的可靠連接。