系梁對格構式橋墩穩定性影響的研究

張保山

摘要 基于有限元軟件Midas Civil建立計算模型，研究了在最高裸墩以及最大懸臂狀態下系梁位置以及數量對格構式高橋墩穩定性的影響。研究結果表明，橋墩截面形狀以及尺寸不變的情況下，橫系梁可以有效提高橋墩的穩定系數，當設置一組或者兩組橫系梁時，橋墩穩定系數提升效果最為明顯，設置三組橫系梁時，穩定系數增加緩慢。因此，格構式橋墩設置一組或者兩組橫系梁均可。

關鍵詞 有限元;格構式橋墩;系梁;穩定性

中圖分類號 TU392.3 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）03-0165-03

0 引言

隨著我國橋梁事業的快速發展，中西部地區橋梁數量不斷增多，由于西部地區地形破碎，溝壑縱橫，橋梁建設時高墩大跨度的連續剛構橋被廣泛應用。以往高墩大跨度橋梁一般采用雙肢薄壁墩的橋墩形式，但是當橋墩為超高墩時，雙肢薄壁墩不能滿足剛度與抗震要求，可以采用安全性與經濟性更為適宜的格構式橋墩[1]。為了滿足整個格構式高墩的抗彎剛度要求，在墩柱之間增加橫向連接系，合理布置橫向連接系的位置以及數量非常重要[2-10]。該文基于某高墩大跨度連續剛構橋梁，進行橫系梁對格構式高墩穩定性的影響研究。

1 工程背景

橋梁主橋為4×120 m預應力混凝土連續剛構橋，現澆箱梁采用C55混凝土;橋墩采用新型格構式橋墩，采用C40混凝土，系梁采用C40混凝土;墩臺采用樁基礎，采用C30混凝土。主梁為單箱單室結構，橋面寬12.6 m，橋墩中心線處箱梁高為7.5 m，跨中和端部高為3 m。其橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置圖（單位：mm）

2 有限元模型

使用有限元軟件Midas Civil進行數值模擬模型的建立。由于結構自重在線性穩定性的研究中占有重要作用，因此該文進行自重作用下的穩定特征值分析，改變系梁的數量以及位置，保證橋墩的穩定特征值達到規范中的要求。最高裸墩與最大懸臂階段的模型如圖2和圖3所示。

圖2 最高裸墩模型圖 圖3 最大懸臂模型圖

3 系梁對橋墩穩定性的影響

3.1 最高裸墩狀態下穩定性分析

在最高裸墩狀態下，分別對格構式高墩無橫系梁、1組橫系梁、2組橫系梁、3組橫系梁1階模態下的穩定系數進行分析，模態圖如圖4～7所示。

3.2 最大懸臂狀態穩定性分析

在最大懸臂狀態下，分別對格構式高墩無橫系梁、1組橫系梁、2組橫系梁、3組橫系梁1階模態下的穩定系數進行分析，模態圖如圖8～11所示。

（1）由圖12及表1可知，在最高裸墩狀態下，穩定性系數隨著橫系梁數量的增多不斷增加，不設置橫系梁時橋墩的穩定系數為3.39，小于規范要求的4，不能滿足橋墩穩定性要求;當有一組橫系梁時，橋墩穩定系數就達到了18.10，增加了4.34倍，滿足規范要求，當有兩組橫系梁時，橋墩穩定系數為30.03，對比可得，設置兩組橫系梁時的穩定系數比設置一組橫系梁時增加了66%;當有三組橫系梁時，穩定系數為33.82，相較于兩道橫系梁時增加了12.6%。

（2）在最大懸臂狀態下，隨著橫系梁數量的增加，穩定性系數增加速率較為平緩，不設置橫系梁時，穩定系數為2.52，不能滿足規范要求;設置一組橫系梁時，穩定系數為6.85，增加了1.72倍，能夠滿足規范要求。當設置兩組橫系梁時，穩定系數為8.25，相較于設置一組橫系梁時增加了20%;當有三組橫系梁時，穩定系數為9.20，相較于兩道橫系梁時增加了11.5%。

由以上分析可知，當橋墩截面形式與尺寸不變的情況下，增加系梁的數量可以提高橋墩的穩定性，設置一組或者兩組橫系梁時橋墩穩定系數增加最為明顯，設置三組橫系梁時橋墩穩定系數增加較慢，對于格構式高墩而言，設置一組或者兩組橫系梁均可。

4 結論

通過有限元軟件進行橫系梁對格構式橋墩穩定性影響的分析，得出以下結論：

（1）增加橫系梁，可以提高格構式橋墩在最高裸墩以及最大懸臂狀態下的穩定性安全系數。

（2）最高裸墩與最大懸臂狀態下，增加一組橫系梁和兩組橫系梁時，穩定系數提升效果最為明顯;增加三組橫系梁時，穩定系數提升效果較為緩慢。

（3）對于格構式橋墩，設置一組或者兩組橫系梁均可有效提升橋墩穩定系數。

參考文獻

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