高墩大跨連續剛構橋施工過程穩定性分析

路兆印

（中鐵二十三局集團第一工程有限公司 山東日照 276800）

1 引言

當前我國高速公路建設領域逐漸向山嶺重丘地區延伸，高墩橋梁是當下高等級公路跨越深溝峽谷等特殊地形條件下必然采用的跨越方式。由于橋墩長細比、橋梁跨度增大以及施工誤差等不利因素影響，橋梁結構在施工階段的穩定性問題日益突出。高墩大跨連續剛構橋施工難度大、影響因素多、施工周期長、施工地質及環境條件復雜，勢必要對其穩定性進行研究分析，最大限度地減少施工安全隱患、保障工程建設整體質量。本文從橋梁的線彈性狀態、幾何非線性狀態的初始幾何缺陷出發，對施工體系穩定性展開研究，為橋梁安全施工提供有利參考[1－2]。

2 工程背景

對高墩橋梁穩定性進行分析時，能最直觀表達高墩穩定性的評判指標為結構的穩定安全系數λ。若求得的穩定安全系數值越大，表示結構的安全性越高、安全儲備越充足。本文以后亭溪大橋為工程背景進行討論，通過求得結構所能承受的極限荷載值與當前階段施加在結構上的荷載值的比值，得出結構的穩定安全系數。由于橋梁結構的復雜性，計算機有限元近似求解方法可以看作是Ritz法的特殊形式，設計時通常偏安全地認為采用空間有限元軟件計算得到的結構屈曲安全系數λ≥5時結構安全，穩定性滿足要求。根據公路橋涵設計通用規范，查得結構的穩定安全系數取值為 λ≥4[3－5]。

3 穩定分析有限元模型構建

后亭溪大橋橋墩最大高度為119 m，在最大懸臂施工階段兩側總長為148 m。本文進行橋墩穩定性分析，從最不利荷載角度出發，結合工程實例，參考實際施工過程中可能會出現的各種荷載情況，得到多種荷載工況組合，并依據前人研究經驗，選取最大懸臂階段進行穩定性分析。施工過程中荷載選取為：自重、預應力荷載、掛籃荷載、風荷載、溫度梯度荷載。

本橋的有限元模擬參數為：墩柱采用C40砼，Ec＝3.25 ×104MPa（彈性模量），γ ＝24.0 kN／m3（重力密度），泊松比取0.2。主梁采用C50砼，Ec＝3.45×104MPa（彈性模量），γ ＝25.0 kN／m3（重力密度），泊松比取0.2。預應力鋼絞線參數為：抗拉強度等級取值為1 860 MPa，直徑d＝15.2 mm，彈性模量 EP＝1.95×105MPa，松弛率 ρ＝0.035，松弛系數 ζ＝0.3。

在Midas Civil中采用梁單元建立有限元模型，根據設計圖紙，建立對應的箱梁截面，進行單元、節點劃分。墩身共劃分為124個單元，與主梁采用剛性連接以模擬橋梁的剛構體系。建立施工過程中主梁最大懸臂狀態下的穩定分析模型，如圖1所示。

圖1 橋墩最大懸臂狀態有限元模型

4 高墩大跨連續剛構橋施工懸臂體系穩定分析

4．1 理想狀態下剛構橋施工懸臂體系的線性穩定分析

工程中，明確高墩本身的承載力是確保高墩線彈性穩定的重要手段。施工承載是影響高墩線彈性穩定的最重要因素，加強施工環節的承載控制是保證施工承載不影響高墩正常使用的主要手段。選取結構穩定性處于最不利狀態的施工階段，即橋梁最大懸臂階段進行穩定性分析。根據在工程實踐中可能出現的各種荷載，開展對剛構橋最大懸臂階段穩定性研究，荷載工況組合如表1所示。根據以上荷載組合，利用有限元軟件計算得出其穩定安全系數，見表2。

表1 荷載工況組合

表2 各個工況下結構穩定安全系數

由圖2可知，在7種荷載組合工況下，結構的穩定安全系數均大于4，滿足規范要求，且具有足夠的安全儲備[6－9]。

圖2 穩定系數變化曲線

4．2 理想狀態下結構考慮幾何非線性影響的穩定性分析

后亭溪大橋施工至最大懸臂階段時，橋梁的柔性最大，穩定性最低，易在外部荷載的作用下發生變形。采用有限元軟件Midas Civil對橋梁結構在幾何非線性影響下的結構穩定性進行分析，得到荷載－位移曲線圖，見圖3。當圖中出現極值點或其曲線接近一條水平漸進線時，對應的荷載加載系數值即為穩定安全系數。考慮幾何非線性影響，選取在最不利荷載狀態下墩身不同節點發生的最大位移及方向，對模型的結構穩定性進行分析。

圖3 理想狀態下考慮幾何非線性影響荷載－位移曲線

由圖3可以看出，考慮幾何非線性影響，計算得出的荷載系數為16.51，與線彈性穩定系數17.64相比，降低1.13，即考慮幾何非線性因素影響，結構穩定系數下降了6.41%。

5 高墩大跨連續剛構橋穩定性影響因素參數分析

5．1 初始幾何缺陷對結構線彈性情況下穩定性的影響

由于考慮結構的初始缺陷對準確模擬結構的實際狀態具有重要意義，因此我們在研究結構穩定性問題時應充分考慮結構在施工過程中積累的初始缺陷對結構產生的影響，以獲得更加精確的分析結果。本文采用結構屈曲模態分析法對初始缺陷狀態下的模型進行分析，通過設置缺陷分布區域和峰值來模擬初始缺陷。橋墩初始幾何缺陷分為三類：第一類為初始縱向彎曲缺陷；第二類為初始橫向偏斜缺陷；第三類為同時考慮初始縱向缺陷與初始橫向缺陷。通過計算確定初始缺陷大小與其分布模式，根據計算結果調整模型的單元節點坐標，再對調整后的模型進行有限元分析，即可對結構按設計的初始缺陷進行準確模擬。

墩頂偏離的最大缺陷值參照《公路工程質量檢驗評定標準》規定，并依此進行偏安全性考慮，分別選取墩頂偏離為3 cm、10 cm及20 cm。在模型中將各橋墩初始缺陷值加入結構中進行計算，得出結果見表3及圖4（屈曲系數值取一階）。

表3 考慮初始幾何缺陷對結構穩定性影響

圖4 考慮初始幾何缺陷的一階穩定性系數變化曲線

由表3和圖4可以看出，與無缺陷理想狀態的結構相比，考慮了初始幾何缺陷后，隨著初始缺陷值的增大，結構的一階穩定系數在逐漸降低。從數值上看，三類幾何缺陷的穩定系數值遞減幅度均較小，雖然初始幾何缺陷對線彈性穩定而言影響不是很大，但在實際工程施工過程中仍要加強對施工、測量精度的要求，以保證墩身結構的垂直度，減少幾何缺陷對結構穩定性的影響。

5．2 考慮幾何非線性影響下初始幾何缺陷對結構穩定的影響

由表4、表5和圖5可知，在考慮了縱向初始幾何缺陷后，結構的穩定性安全系數相比于理想狀態出現明顯下降，最大降幅達到3.67%。在考慮了橫向初始幾何缺陷后，結構的穩定性安全系數也出現明顯下降，最低降至11.904，降幅高達到27.90%。由此得出結論：在幾何非線性影響下，隨著初始幾何缺陷值增大，結構穩定性安全系數下降明顯。

表4 考慮縱向初始幾何缺陷下的非線性穩定性對比

表5 考慮橫向初始幾何缺陷下的非線性穩定性對比

圖5 初始偏斜缺陷與穩定系數關系曲線

由此可見，要判斷結構的安全性，在線彈性條件下進行穩定性分析后，還應進行結構在幾何非線性影響下的穩定性分析，這對正確分析結構穩定性具有重要作用。在實際工程施工中，應保證橋墩的垂直度符合要求，對橋墩結構的測量工作應制定嚴格的標準，對模板、支架等施工設備進行定期檢查，以保證其能正常工作。混凝土澆筑時，應安排專業人員對現場進行監督，尤其應注意檢查混凝土模板和支架等構件的安裝使用情況，一旦模板發生松動、錯位等情況，現場管理人員應及時處理，以保證施工正常進行[10－12]。

6 總結

本文對后亭溪大橋施工至最大懸臂階段的模型進行穩定性研究。在建模過程中，考慮理想狀態和初始幾何缺陷兩種狀態，分別對結構穩定性進行分析，結果如下：

（1）通過分析最大懸臂階段結構在理想狀態下的線性穩定性表明：箱梁溫度梯度荷載對高墩穩定性影響一般，可忽略箱梁溫度梯度荷載對高墩橋梁第一類線彈性穩定性的不利影響。而施工中產生的不平衡荷載會對結構穩定性產生較大影響，因此在施工過程中要嚴格控制施工設備和材料堆放滿足要求，并減少由于施工誤差產生的梁體重量不均衡現象。

（2）由幾何非線性影響的穩定性分析結果可知：其相應的荷載系數為16.51，與線彈性穩定系數相比下降較多，降低值為1.13。

（3）初始幾何缺陷對結構第一類線彈性穩定性影響極小，在初始縱向缺陷和初始橫向缺陷的影響下，結構穩定性系數僅降低0.04。

（4）初始缺陷對結構幾何非線性穩定影響較為明顯，最大降幅達27.90%。因此，在橋梁施工過程中要嚴格控制墩的垂直度，保證施工精度。