深水大跨度剛構(gòu)連續(xù)梁橋穩(wěn)定性參數(shù)敏感度研究

袁步德

京昆高速鐵路西昆有限公司，重慶 400020

隨著社會經(jīng)濟和工程技術(shù)不斷發(fā)展，越來越多的新建高速鐵路（公路）橋梁需要跨越海洋、江河、大型水庫等深水區(qū)域。大跨度預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土剛構(gòu)連續(xù)梁橋以其簡潔的造型、良好的跨越能力、較低的造價、較少的后期維護費用等優(yōu)點，成為現(xiàn)代深水大跨橋梁建設(shè)中的主要橋型之一［1］。

圍繞高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)類橋梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題，相關(guān)學(xué)者和工程技術(shù)人員進行了大量研究。文獻［2-5］探討了施工荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載、幾何非線性、材料非線性等因素對連續(xù)剛構(gòu)（或連續(xù)梁）橋空心薄壁高墩穩(wěn)定性的影響效應(yīng)；文獻［6-7］分析了在汽車荷載、制動力、日照溫差、縱向風(fēng)力等荷載作用下箱形空心墩的整體和局部穩(wěn)定性；文獻［8］研究了在現(xiàn)行鐵路橋規(guī)的荷載組合作用下空心墩的局部穩(wěn)定性；文獻［9-12］分析了懸臂施工中施工工況和施工荷載對連續(xù)剛構(gòu)橋高墩穩(wěn)定性的影響；文獻［13-14］討論了連續(xù)剛構(gòu)橋高墩穩(wěn)定性對結(jié)構(gòu)初始缺陷的敏感性；文獻［15］研究了在施工及運營階段線路曲率對高墩曲線剛構(gòu)橋穩(wěn)定性的影響；文獻［16］探討了雙重非線性、初始缺陷、橋墩幾何設(shè)計參數(shù)、基礎(chǔ)剛度等對連續(xù)剛構(gòu)橋穩(wěn)定性的影響效應(yīng)。這些研究取得了一系列有益成果，但鮮有考慮橋梁結(jié)構(gòu)深水穩(wěn)定性的研究。此外，綜合這些研究成果可以發(fā)現(xiàn)，這類橋梁的整體或局部穩(wěn)定性問題是其設(shè)計和施工中不可回避的關(guān)鍵問題之一。影響這類橋梁穩(wěn)定性的因素除了結(jié)構(gòu)自身的構(gòu)造和剛度外，還與結(jié)構(gòu)所承受的外荷載形式、荷載大小、結(jié)構(gòu)非線性、初始缺陷、氣候環(huán)境、水文地質(zhì)條件、施工方法等多種因素有關(guān)。由于影響因素繁多，再加上這些影響因素之間的相互耦合作用，使得這類橋梁的穩(wěn)定性問題至今尚未得到很好解決。

對于深水中的大跨度剛構(gòu)連續(xù)梁類橋梁，隨著水流深度及流速增加，深水效應(yīng)對這類橋梁力學(xué)行為的影響將越來越突出。本文以某深水大跨度預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土剛構(gòu)連續(xù)梁橋為背景，基于流固耦合理論，探討深水效應(yīng)對這類橋梁穩(wěn)定性的影響。

1 工程背景

一座高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)連續(xù)梁雙線特大橋（圖1）全長593.5 m，跨徑組合為（64 + 4 × 116 +64）m，位于直線上，與水流方向正交。常水位下深水區(qū)水深約50 m。采用懸臂澆筑法施工。

圖1 高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)連續(xù)梁雙線特大橋立面（單位：m）

主梁為單箱單室直腹板、變高度、變截面箱梁。頂板厚43.0～63.5 cm，腹板厚43～90 cm，底板厚43～90 cm。其中，腹板和頂板厚度按線性、局部向內(nèi)側(cè)加厚的方式變化；底板厚度按二次拋物線變化。箱梁頂板寬12.6 m，底板寬6.7 m。中支點截面中心處梁高8.5 m，跨中10 m 直線段及邊跨11.75 m 直線段截面中心處梁高4.8 m。梁體混凝土強度為C55，縱向預(yù)應(yīng)力筋采用15φ15.2鋼絞線。

大橋采用圓端型和雙肢薄壁型橋墩。其中，3#—5#墩為雙肢薄壁型橋墩，位于深水區(qū)。深水區(qū)樁基承臺距河床10 m，樁徑為2 m。墩身最高的4#墩立面及基礎(chǔ)構(gòu)造見圖2。其中，墩身頂端4 m范圍內(nèi)混凝土強度等級為C55，墩身其余部分及樁基的混凝土等級為C40。

圖2 4#墩立面及基礎(chǔ)構(gòu)造（單位：m）

2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性參數(shù)分析

大跨度預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土剛構(gòu)連續(xù)梁橋一般采用懸臂澆筑法施工。相對于成橋狀態(tài)和其他施工工況，當(dāng)懸臂施工至最大雙懸臂狀態(tài)時，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性最差［2-3］。因此，從實際應(yīng)用考慮，本文以4#橋墩的最大雙懸臂T 形剛構(gòu)作為研究對象（以下簡稱為最不利T構(gòu)）。

本文采用相對穩(wěn)定指數(shù)作為分析各因素對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響效應(yīng)的量化參數(shù)。相對穩(wěn)定指數(shù)是指結(jié)構(gòu)的第一類穩(wěn)定系數(shù)與同項研究中所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)最大穩(wěn)定系數(shù)之比。

2.1 仿真分析基本模型

從流固耦合的角度，著重分析水流速度、流域水深以及樁基承臺的相對標(biāo)高等因素對最不利T構(gòu)穩(wěn)定性的影響效應(yīng)。

借助于大型通用軟件ANSYS Workbench 進行建模分析。流固耦合分析需要占用大量的計算機資源，基于在滿足研究精度的前提下盡量減小計算機資源占用的原則，外部流域數(shù)字模型的平面尺寸按不小于水中構(gòu)件同向尺寸5倍的大小取值［17］，分別為：順流方向長度為150 m，橫流方向?qū)挾葹?0 m。外部流域高度按計算時采用的水深取值。外部流域和最不利T構(gòu)的數(shù)值分析基本模型見圖3。

圖3 外部流域和最不利T構(gòu)的數(shù)值分析基本模型

考慮到橋墩的實際變形較小，其變形對流體的擾動不大。因此，本文采用單向流固耦合模式進行數(shù)值仿真分析。其中，水流的物理模型采用標(biāo)準(zhǔn)k?epsilon（2 eqn）湍流模型。

2.2 流速與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

流速是影響水流對結(jié)構(gòu)沖擊力的主要因素之一。為便于分析水流速度對最不利T 構(gòu)穩(wěn)定性的影響效應(yīng)，以基本模型為基礎(chǔ)，通過改變外部流域的入口流速來模擬橋位上游水流速度的變化，進而計算出不同流速下最不利T 構(gòu)的相對穩(wěn)定指數(shù)。計算中，水流方向按與橋面正交考慮（橫橋向）；入口流速取1～6 m/s。計算荷載還包括掛籃、施工機具以及施工人員的重量等。

計算時樁基附近流速矢量圖見圖4。不同入口流速下水流對橋墩的作用力見圖5。最不利T 構(gòu)的相對穩(wěn)定指數(shù)與入口流速之間的關(guān)系見圖6。

圖4 樁基附近流速矢量圖（V=2 m·s-1）

圖5 不同入口流速下水流對橋墩的作用力

圖6 最不利T構(gòu)的相對穩(wěn)定指數(shù)與入口流速之間的關(guān)系

由圖4—圖6可見：①橋墩附近水流的流速變化明顯。設(shè)計和施工中深水大跨度剛構(gòu)連續(xù)梁橋的深水湍流效應(yīng)不應(yīng)忽略。②水流對最不利T構(gòu)產(chǎn)生的橫向作用力隨流速增加而迅速增大，呈非線性關(guān)系，且以沿水流方向的作用力為主。③結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定指數(shù)隨流速增加呈指數(shù)曲線下降。當(dāng)入口流速從1 m/s 增加至6 m/s 時，相對穩(wěn)定指數(shù)下降了20.5%。可見，深水大跨度剛構(gòu)連續(xù)梁橋的穩(wěn)定性對水流速度是敏感的。施工中須給予重視。

2.3 水深與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

流域水深也是影響流固耦合效應(yīng)的主要因素。為便于考察水深對橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響效應(yīng)，通過改變基本模型中外部流域的高度來模擬流水深度的變化。外部流域高度取10～50 m［18］，入口流速為5 m/s，水流方向按橫橋向考慮，結(jié)構(gòu)參數(shù)及施工荷載與背景工程相同。

最不利T構(gòu)的相對穩(wěn)定指數(shù)與流域水深之間的關(guān)系見圖7。將圖中曲線最高點所對應(yīng)的流域深度稱為臨界水深。

圖7 最不利T構(gòu)的相對穩(wěn)定指數(shù)與流域水深之間的關(guān)系

由圖7可見：

①當(dāng)流域水深小于臨界水深時，最不利T 構(gòu)的相對穩(wěn)定指數(shù)隨水深增加而增大，該狀態(tài)下水深對剛構(gòu)連續(xù)梁橋的穩(wěn)定性有利。

②當(dāng)水深大于臨界水深后，最不利T 構(gòu)的相對穩(wěn)定指數(shù)隨水深增加而迅速降低；當(dāng)水深超過臨界水深后，增大流域深度對深水大跨度剛構(gòu)連續(xù)梁橋的穩(wěn)定性不利。

③水深與最不利T 構(gòu)的相對穩(wěn)定指數(shù)間呈4 次函數(shù)曲線關(guān)系。當(dāng)水深在10～50 m 時，結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定指數(shù)的最大升幅為1.87%，最大降幅為1.61%。可見，深水大跨度剛構(gòu)連續(xù)梁橋的穩(wěn)定性對水深是不敏感的。

2.4 承臺相對標(biāo)高與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

承臺相對標(biāo)高是指樁基承臺相對于河床的高度。由于樁、承臺以及墩身的幾何形狀及大小不同，使其與流體之間的流固耦合效應(yīng)各不相同。再加上承臺相對標(biāo)高的不同造成的結(jié)構(gòu)本身在幾何構(gòu)造上的差異，使得承臺相對標(biāo)高成為影響水流與最不利T 構(gòu)之間流固耦合效應(yīng)的主要因素之一。

為便于考察承臺相對標(biāo)高對最不利T構(gòu)穩(wěn)定性的影響效應(yīng)，在本項數(shù)值仿真計算中，改變最不利T構(gòu)中承臺的豎向位置而保持深水大跨度剛構(gòu)連續(xù)梁橋的梁底與河床之間的高度不變。

仿真分析采用的基本計算參數(shù)如下：承臺相對標(biāo)高取10～50 m，入口流速為5 m/s，水流方向按橫橋向考慮。其余計算參數(shù)與基本模型相同。

依據(jù)仿真計算結(jié)果，采用數(shù)值擬合方法可以求得承臺不同相對標(biāo)高與最不利T構(gòu)的相對穩(wěn)定指數(shù)之間的關(guān)系曲線，見圖8。圖中曲線最高點所對應(yīng)的承臺相對標(biāo)高稱為承臺臨界標(biāo)高。

圖8 承臺相對標(biāo)高與相對穩(wěn)定指數(shù)的關(guān)系

由圖8 可見：①當(dāng)承臺相對標(biāo)高小于其臨界標(biāo)高時，最不利T 構(gòu)的相對穩(wěn)定指數(shù)隨承臺相對標(biāo)高增加而增大，增加承臺相對標(biāo)高對剛構(gòu)連續(xù)梁橋的穩(wěn)定性有利；②當(dāng)承臺相對標(biāo)高大于其臨界標(biāo)高后，最不利T構(gòu)的穩(wěn)定指數(shù)隨承臺相對標(biāo)高的增加而降低，繼續(xù)增加承臺相對標(biāo)高對剛構(gòu)連續(xù)梁橋的穩(wěn)定性不利；③承臺相對標(biāo)高與最不利T 構(gòu)的穩(wěn)定指數(shù)呈Gauss 曲線關(guān)系；④當(dāng)承臺相對標(biāo)高在10～50 m 變化時，最不利T構(gòu)的相對穩(wěn)定指數(shù)的最大升幅、最大降幅分別為39%、74%。可見，深水大跨度剛構(gòu)連續(xù)梁橋的穩(wěn)定性對承臺相對標(biāo)高是敏感的。

3 結(jié)論

為探討深水流域?qū)倶?gòu)連續(xù)梁橋穩(wěn)定性的影響，本文利用流固耦合理論，建立橋墩最大雙懸臂T 形剛構(gòu)的數(shù)值仿真模型，系統(tǒng)地分析了水流速度、水深、樁基承臺的相對標(biāo)高等參數(shù)對深水大跨度剛構(gòu)連續(xù)梁橋穩(wěn)定性的影響效應(yīng)。主要結(jié)論如下：

1）深水流域?qū)ι钏罂缍葎倶?gòu)連續(xù)梁橋的沖擊力隨流速增加而迅速增大，流速與沖擊力間呈非線性關(guān)系。

2）深水大跨度剛構(gòu)連續(xù)梁橋最不利T構(gòu)的相對穩(wěn)定指數(shù)隨流度增加而降低，二者間呈指數(shù)曲線關(guān)系。深水大跨度剛構(gòu)連續(xù)梁橋的穩(wěn)定性對流速敏感。

3）以臨界水深為界，當(dāng)流深小于臨界水深時，流域水深的增加對深水大跨度剛構(gòu)連續(xù)梁橋的穩(wěn)定性有利；當(dāng)流域水深超出其臨界水深后，流域水深的增加對深水大跨度剛構(gòu)連續(xù)梁橋的穩(wěn)定性不利。

4）流域水深與深水大跨度剛構(gòu)連續(xù)梁橋最不利T構(gòu)的相對穩(wěn)定指數(shù)之間呈4次函數(shù)曲線關(guān)系。深水大跨度剛構(gòu)連續(xù)梁橋的穩(wěn)定性對流域水深不敏感。

5）以承臺的臨界標(biāo)高為界，當(dāng)承臺相對標(biāo)高小于其臨界標(biāo)高時，增加承臺相對標(biāo)高對深水大跨度剛構(gòu)連續(xù)梁橋的穩(wěn)定性有利；當(dāng)承臺相對標(biāo)高大于其臨界高度后，增加承臺相對標(biāo)高對深水大跨度剛構(gòu)連續(xù)梁橋的穩(wěn)定性不利。

6）承臺相對標(biāo)高與深水大跨度剛構(gòu)連續(xù)梁橋最不利T 構(gòu)的相對穩(wěn)定指數(shù)呈Gauss 曲線關(guān)系。深水大跨度剛構(gòu)連續(xù)梁橋的穩(wěn)定性對其樁基承臺相對標(biāo)高敏感。