連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂狀態(tài)穩(wěn)定性分析

馬嵩 何楠

大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋因其外形美觀、輕巧,橋下行車視線佳,橋面行車平順等優(yōu)點成為目前全國各地廣泛修建的橋型之一。大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的橋墩通常采用高墩形式,而對于這種高墩大跨結(jié)構(gòu)自身、橋梁最大懸臂施工階段及成橋使用階段的靜力穩(wěn)定性進(jìn)行分析顯得尤為重要。失穩(wěn)破壞是一種突然破壞,人們沒有辦法發(fā)覺及采取補救措施,所以其導(dǎo)致的結(jié)果往往比較嚴(yán)重,正因為此,在實際工程中不允許結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)破壞[1]。大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋在高橋墩懸臂施工過程中,由于施工或基礎(chǔ)變形導(dǎo)致的高墩傾斜,將會對結(jié)構(gòu)受力及穩(wěn)定有很大的影響[2],有必要對懸臂狀態(tài)時連續(xù)剛構(gòu)橋的穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究。

1 穩(wěn)定問題及其求解方法

受施工誤差以及環(huán)境變化等多種不確定因素的影響,最不利單墩難免存在初始缺陷,再加上大跨、高墩連續(xù)剛構(gòu)所具有的幾何非線性、材料非線性以及混凝土材料的壓碎、開裂、骨料咬合效應(yīng)等因素的影響,在逐級增加的荷載作用下,結(jié)構(gòu)荷載易超過臨界荷載發(fā)生失穩(wěn)破壞。

穩(wěn)定問題可以分為第一類穩(wěn)定問題和第二類穩(wěn)定問題。第一類穩(wěn)定問題是結(jié)構(gòu)達(dá)到臨界荷載時,除了原來的平衡狀態(tài)外,還會出現(xiàn)另外的平衡狀態(tài)[3]。第二類穩(wěn)定問題是結(jié)構(gòu)保持一個平衡狀態(tài),隨著荷載的增加,在應(yīng)力比較大的區(qū)域出現(xiàn)塑性變形,結(jié)構(gòu)的變形不斷增大。當(dāng)荷載達(dá)到一定的數(shù)值時,即使不再增加,結(jié)構(gòu)變形也迅速增加從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。第一類穩(wěn)定問題和第二類穩(wěn)定問題有著良好的相關(guān)性,其解往往代表著第二類穩(wěn)定問題的上限。工程中通常以第一類穩(wěn)定問題的計算結(jié)果作為設(shè)計的依據(jù)。

現(xiàn)今,大量研究所采用基于能量變分原理的有限元法來研究大跨連續(xù)剛構(gòu)橋高墩穩(wěn)定性問題。本文對某高墩連續(xù)剛構(gòu)橋的施工階段最大懸臂狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定性分析,并對其結(jié)果進(jìn)行了探討。

2 工程實例

某三跨連續(xù)剛構(gòu)橋,跨徑布置為60 m+100 m+60 m。上部結(jié)構(gòu)采用C50混凝土,為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),主梁采用單箱單室箱梁截面,梁寬12 m,墩頂處梁高6.5 m,合龍段梁高2.8 m。下部結(jié)構(gòu)采用C40混凝土,結(jié)構(gòu)左墩墩高44 m,右墩墩高42 m。薄壁墩與承臺固結(jié),承臺采用C30混凝土。本計算不考慮樁基礎(chǔ)對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響,因此采用承臺與基礎(chǔ)固結(jié)的形式表示其邊界。

運用有限元程序MIDAS/Civil對該橋建立三維空間有限元模型,建模過程中精確模擬結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量和邊界條件。由于本橋的左墩相對較高,穩(wěn)定性分析中將其定義為最不利墩,對其進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

3 高墩最大懸臂狀態(tài)穩(wěn)定性分析

3.1 穩(wěn)定性分析的工況選擇

高墩最大懸臂施工狀態(tài)下穩(wěn)定性分析計算時一般需要考慮掛籃荷載、自重荷載以及施工荷載,還需考慮到風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響,因此采用以下3種工況進(jìn)行分析:

工況1:自重+掛籃荷載+施工堆積荷載+不平衡梁段重+施工誤差;工況2:自重+掛籃荷載+施工堆積荷載+不平衡梁段重+施工誤差+橫橋向風(fēng)荷載;工況3:自重+掛籃荷載+施工堆積荷載+不平衡梁段重+施工誤差+順橋向風(fēng)荷載。

施工荷載按主梁上1kN/m2的方式施加均布力。正在澆筑的一個節(jié)段與最后一個節(jié)段完成時結(jié)構(gòu)處于最大懸臂狀態(tài),懸臂兩側(cè)自重的不均勻分布,按兩側(cè)差5%考慮。最后一個節(jié)段施工時,兩側(cè)進(jìn)度不同引起的自重差值,按最后一個塊件的40%考慮。風(fēng)荷載采用JTG/D 60-01-2004公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范中主梁順、橫橋向及橋墩的靜風(fēng)荷載計算方法。

3.2 穩(wěn)定性分析結(jié)果

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行各種工況的分析,結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)特征值、內(nèi)力響應(yīng)及位移響應(yīng)結(jié)果見表1,且各工況下左墩最大懸臂狀態(tài)的失穩(wěn)模態(tài)均發(fā)生在順橋向。

表1 2號墩最大懸臂狀態(tài)穩(wěn)定分析結(jié)果

由表1中結(jié)果可見,在最大懸臂狀態(tài)時,左墩在各工況下的穩(wěn)定特征值均遠(yuǎn)大于5,滿足規(guī)范中對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求,說明最不利橋墩在最大懸臂狀態(tài)下不會發(fā)生失穩(wěn)破壞。橋墩在最大懸臂狀態(tài)時,各工況下的失穩(wěn)模態(tài)均為橫橋向傾覆,說明橋墩順橋向具有足夠的剛度。

4 結(jié)論及建議

1)利用有限元法對連續(xù)剛構(gòu)橋最大懸臂狀態(tài)下的穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究,分析結(jié)果表明各工況下結(jié)構(gòu)的施工穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。2)由各工況下的分析結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),在連續(xù)剛構(gòu)橋施工階段,風(fēng)載對高墩穩(wěn)定性的影響不大,但卻對橋墩內(nèi)力有較大的影響。3)受施工誤差以及環(huán)境變化等多種不確定因素的影響,結(jié)構(gòu)的實際施工狀況與計算狀況有所不同,穩(wěn)定性分析無法精確模擬到其施工狀態(tài)的狀況,因此在施工時,要嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)墩身的垂直度,盡量減少高墩的初始缺陷,以便從根本上保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

[1] 沈躍輝.大跨連續(xù)剛構(gòu)橋薄壁高墩施工穩(wěn)定性研究[J].四川建筑,2007(6):116-117.

[2] 陳 浩.大跨高墩連續(xù)剛構(gòu)橋的穩(wěn)定性分析[D].成都:西南交通大學(xué),2004.

[3] 馬保林.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋[M].北京:人民交通出版社,2001.

[4] 龔祥瑞.大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的穩(wěn)定性分析[J].山西建筑,2009,35(1):313-314.

[5] 李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和振動[M].北京:中國鐵道出版社,2002.