山區大跨度高墩連續剛構橋穩定性影響參數分析

韋小飛

(廣西長興工程建設有限公司，廣西 南寧 530000)

伴隨我們國家經濟社會飛速發展，對于基礎設施建設的投資越來越大，特別是高速公路的建設越來越多，目前高速公路建設逐漸從平原微丘陵地區向山區峽谷區域發展，而大跨度連續剛構橋因其受力合理、外形優美且施工方便廣泛應用于山區峽谷中[1,2]。但山區大跨度連續剛構橋的橋墩因地勢原因通常比較高，由此導致結構的穩定性問題突出[3,4]。因此穩定性是山區大跨度橋梁設計和施工必不可少的考慮因素，為確保山區大跨度高墩連續剛構橋施工以及成橋階段的穩定性，本文根據山區高墩大跨度連續剛構橋為例，通過數值分析軟件對全橋實際工程情況進行全過程模擬，采用特征值分析法對結構空間穩定性進行研究，選取可能發生并會對結構實際狀態產生較大影響的結構參數，根據施工控制經驗確定各結構參數變化范圍[5]。在其他參數不變的前提下，選取墩高與壁厚、系梁的設置、高墩雙肢間距、混凝土橋墩等影響參數，分析其對連續剛構橋空間穩定性的影響程度，為同類橋梁設計及施工提供借鑒參考[6,7]。

1 工程概況

貴州湄余高速公路一座大跨度高墩連續剛構橋，全橋共兩聯：(90+160+90)m；大橋設計車速為80 km/h，上下行雙向四車道，半幅橋面寬為0.5 m(SA級防撞護欄)+凈11.125 m(行車道)+0.5 m(SA級防撞護欄)，整幅橋寬24.5 m。橋梁縱面位于R=60 000 m的豎曲線上。主梁截面為單箱單室截面，箱梁截面頂板寬12.125 m，下底板寬度為6.5 m，左右兩側翼緣板長度為2.812 5 m。懸臂根部主梁高度為9 m，跨中斷面主梁寬度為3.5 m。梁高按1.8次拋物線的形式進行變化。

2 有限元模型與參數的選取

2.1 結構有限元模型建立

利用數值分析軟件建立全橋三維有限元模型。力學模型的準確性，取決于是否能夠對橋梁實際情況能夠進行準確模擬，決定著橋梁結構所得分析結構的準確性。主橋上部結構以及橋墩采用梁單元進行模擬，上部結構與橋墩進行剛性連接，對墩底進行全部約束。

2.2 參數的選取

其他條件不變的前提下，計算時僅改變單一參數，選取墩高與壁厚、系梁的設置、高墩雙肢間距等影響參數，分析其對連續剛構橋空間穩定性的影響程度。

3 穩定性參數影響分析

3.1 墩高與壁厚

山區大跨度連續剛構橋通常因地勢條件而采用高墩形式，因此通過調整墩的高度和壁厚來分析連續剛構橋穩定性能。本文依托工程背景橋梁采用的是雙肢薄壁橋墩，其橋墩是等截面。其他情況不變的前提下，分別取雙肢薄壁墩壁厚為45、60和75 cm，對應橋墩高度分別為50、60、70、80、90、100、110、120、130和140 m，分析不同墩高與壁厚的橋梁結構的空間穩定系數，計算結果見圖1和圖2所示。

圖1 最大懸臂施工階段穩定性系數隨墩高變化圖

圖2 成橋階段穩定性系數隨墩高變化圖

由圖1和圖2可以看出，伴隨著橋墩高度不斷增加，連續剛構橋的穩定性系數也隨之變小，并且變化趨勢類似成對數函數變化趨勢，而橋墩高度相同時，改變雙肢薄壁的厚度對結構的穩定性影響很小，其中在最大懸臂施工階段，當橋墩墩高為80 m時，雙肢薄壁墩的厚度從45 cm增加到75 cm時，其穩定性系數從8.39提升到9.18，下降幅度為9.4%；在成橋階段，當墩高為90 m時，雙肢薄壁墩的厚度從45 cm增加到75 cm時，穩定性系數從18.65提升到20.51，變化幅度為9.9%。由此說明雙肢薄壁墩的厚度的改變對穩定性系數的影響很小，主要原因在于平行于轉軸方向的壁厚變化對橋墩墩柱的長細比不產生影響。綜上可知，橋墩高度對山區連續剛構橋穩定性能的影響程度遠大于雙肢薄壁墩的厚度對結構穩定性能的影響。

3.2 雙肢間距

雙肢薄壁墩間距對于連續剛構橋的穩定性也有所影響，保持其他參數不變，通過改變雙肢間距分析結構的空間穩定性，結合工程實踐情況取雙肢間距分別為5 m、6 m、7 m、8 m以及9 m時對最大懸臂施工階段以及成橋階段結構的空間穩定性進行了分析，計算結果如圖3和4所示。

圖3 不同雙肢間距最大懸臂施工階段1階穩定性系數

如上述圖3和圖4所示，比較5種薄壁墩雙肢間距方案下的連續剛構橋1階穩定性系數相對變化規律可知，不管是結構處于最大懸臂施工階段還是成橋階段，隨著雙肢間距的變大結構的穩定性能逐漸下降，但是下降程度較小。其中當結構處在最大懸臂施工階段時，薄壁墩雙肢間距為9 m時結構的1階穩定性系數是最小的，相較于間距為5 m時結構1穩定性系數僅降低了1.58%；當結構處在成橋階段時，同樣薄壁墩雙肢間距為9 m時結構的1階穩定性系數也是最小的，相較于間距為5 m時結構1穩定性系數僅降低了5.22%；綜上由此可知，連續剛構橋最大懸臂施工階段以及成橋階段穩定性系數伴隨薄壁墩雙肢間距增加而下降的，但下降程度較小，因此這一問題在高墩連續剛構橋設計施工中值得注意。

圖4 不同雙肢間距成橋階段1階穩定性系數

3.4 混凝土強度等級

混凝土強度等級的不同對結構的受力特性影響較大，因此考慮施工過程中混凝土施工的時候因水灰比沒有達到一定標準而造成混凝土強度，亦或是混凝土施工過程中出現雜物或材料質量不過關等造成強度不達標，導致橋梁建成后其混凝土強度普遍達不到強度等級要求的強度。因此針對這種特殊情況，結合工程實踐，本文選取C30、C35、C40、C45、C50、C55以及C60七種強度等級對最大懸臂施工階段以及成橋階段結構的空間穩定性進行了分析，計算結果如圖5和圖6所示。

圖5 不同混凝土強度等級最大懸臂施工階段1階穩定性系數

圖6 不同混凝土強度等級成橋階段1階穩定性系數

如圖5和圖6所示，比較7種不同混凝土強度等級的連續剛構橋1階穩定性系數相對變化規律可知，不管是結構處于最大懸臂施工階段還是成橋階段，隨著混凝土強度等級的提高結構的穩定性能明顯得到改善。其中當結構處在最大懸臂施工階段時，采用C60混凝土時結構的1階穩定性系數是最大的，相較于混凝土強度等級為C30時結構1穩定性系數僅提高了19.36%；當結構處在成橋階段時，同樣采用C60混凝土時結構的1階穩定性系數也是最小的，相較于混凝土強度等級為C30時結構1穩定性系數提高了40.95%；由此可知，連續剛構橋最大懸臂施工階段以及成橋階段穩定性系數隨著混凝土強度等級的提高而增大，因此在施工過程中應注意混凝土施工的質量，確保高墩連續剛構橋安全穩定性。

4 結 論

(1)伴隨著橋墩高度不斷增加，連續剛構橋的穩定性系數也隨之變小，并且變化趨勢類似成對數函數變化趨勢，而橋墩高度相同時，改變雙肢薄壁的厚度對結構的穩定性影響很小，主要原因在于平行于轉軸方向的壁厚變化對橋墩墩柱的長細比不產生影響，因此橋墩高度對山區連續剛構橋穩定性能的影響程度遠大于雙肢薄壁墩的厚度對結構穩定性能的影響。

(2)連續剛構橋最大懸臂施工階段以及成橋階段穩定性系數伴隨薄壁墩雙肢間距增加而下降的，但下降程度較小，因此這一問題在高墩連續剛構橋設計施工中值得注意。

(3)不管是結構處于最大懸臂施工階段還是成橋階段，隨著混凝土強度等級的提高結構的穩定性能明顯得到改善，因此在施工過程中應注意混凝土施工的質量，確保高墩連續剛構橋安全穩定性。