高墩大跨連續剛構橋穩定分析

劉 軍

（山西工程職業學院，山西太原 030009）

0 引言

連續剛構橋以其適應地形能力強、行車舒適、經濟性能好等諸多優勢，在橋梁工程中得到廣泛青睞，然而，隨著墩高及跨徑的增長，結構變得越來越柔，對其穩定性的研究就顯得尤為重要，高墩的穩定性分析與強度問題具有同等重要的意義，是合理設計的關鍵[1]。本文基于特征值屈曲分析的有限元方法，以山西省某座高墩大跨連續剛構橋為依托，進行了裸墩、施工階段最大懸臂狀態以及成橋階段穩定性分析，所得結論可為同類橋梁的設計和施工提供參考。

1 工程概況

某特大橋主橋為跨徑（83+155+83）m 的一座三跨預應力混凝土連續剛構橋，上部結構為單箱單室變截面箱梁，箱梁頂板寬12.5 m，底板寬6.5 m，根部梁高9.7 m，端部及跨中梁高3.5 m，箱梁下緣采用1.7 次拋物線，主梁采用C55 混凝土，橋型布置圖如圖1 所示。下部結構過渡墩（6 號、9 號）采用獨柱式空心矩形截面，主墩（7 號、8 號）為雙肢薄壁墩，采用C40 混凝土，截面尺寸如圖2 所示。

圖1 橋型布置圖（單位：m）

圖2 雙肢薄壁墩截面（單位：m）

2 有限元模型的建立

為了有針對性地開展研究，本文就高墩連續剛構橋裸墩狀態、施工階段最大懸臂狀態、成橋狀態3 個典型階段分別進行了穩定分析，有限元計算模型如圖3所示。本文僅輸出對實際工程穩定研究具有指導意義的第一階失穩模態。

圖3 成橋階段穩定性分析有限元模型

3 計算分析[2-4]

3.1 裸墩狀態穩定性分析

本文以7 號高墩為研究對象，裸墩狀態考慮的主要荷載有：結構自重；墩頂施工荷載，取值3 768 kN；橋墩橫向風荷載4.2 kN/m；橋墩縱向風荷載12.3 kN/m。橋墩風荷載按照《公路橋梁抗風設計規范》計算取值，計算工況如表1 所示，結果如表2 所示。

表1 裸墩狀態下自體穩定性計算工況

表2 裸墩狀態下自體穩定性計算結果

計算結果顯示，各工況對應失穩模態均為縱橋向失穩，最小特征值28.6，裸墩狀態下結構穩定性較好。同時還可看出，裸墩自重作用下屈曲穩定特征值最大，其余3 個工況特征值基本相同，施工荷載會對主墩穩定產生不利影響，而風荷載對結構穩定影響甚微，這是因為與結構自重相比，風荷載數值較小，對結構幾何剛度矩陣的影響可以忽略不計。

3.2 施工階段最大懸臂狀態穩定性分析

3.2.1 荷載類型及荷載組合工況

高墩大跨連續剛構橋懸澆施工中，最大懸臂狀態下的結構穩定至關重要。該階段考慮的荷載主要有：

a）結構自重 包括最大懸臂主梁及墩身，混凝土容重取26 kN/m3。

b）掛籃自重 取值1 000 kN，考慮掛籃動力系數（一側1.2，一側0.8）。

c）不均勻堆放機具 考慮于一側懸臂施加8.5 kN/m的均布荷載，并在端部作用集中力200 kN。

d）梁段澆筑不同步引起誤差 末節段混凝土一端增大20%，另一端減小20%。

e）梁體自重不均勻 按一側增大5%，另一側減小5%計。

f）橫向風荷載 按照《公路橋梁抗風設計規范》中相應的規定計算并施加于主梁及橋墩，計入主梁橫向風荷載和主墩橫向風荷載，施工期抗風風險系數取10年重現期系數0.84。

g）縱向風荷載 按照規范《公路橋梁抗風設計規范》中相應的規定計算并施加于主梁及橋墩，計入主梁縱向風荷載和主墩縱向風荷載。

h）橫向不平衡風荷載 按《公路橋梁抗風設計規范》計算取值，以1.0FH 和0.5FH 沿橫向分別施加于兩側懸臂。

i）掛籃跌落 跌落一側反向施加2 倍掛籃自重。

該階段計算考慮了掛籃正常、非正常（單側掛籃跌落）工作兩種情況，每種情況包括6 種工況，如表3 所示，結果如表4 所示。為便于對比，將最大懸臂狀態結構自重列為工況7。

表3 施工階段最大懸臂狀態下穩定性計算工況

表4 施工階段最大懸臂狀態下穩定性計算結果

3.2.2 計算結果分析

從計算結果可知，與裸墩階段相比，最大懸臂施工階段的穩定性主要由結構自重控制，且最大懸臂狀態的一階失穩模態為橫橋向失穩，這是因為該階段橋墩雙肢共同協作使得順橋向剛度大于橫橋向，結構向剛度較弱的方向發生失穩所致。

3.3 成橋階段穩定性分析

3.3.1 荷載類型及荷載組合工況

合龍后，橋梁結構由原來的靜定體系轉變為超靜定體系，該階段考慮的荷載有：結構自重；二期恒載66.6 kN/m；風荷載，按《公路橋梁抗風設計規范》計算取值，計入主梁縱、橫向風荷載和主墩縱、橫向風荷載，按百年一遇（1%）風荷載設計；汽車荷載，以靜載形式加載到模型，按墩頂軸向力最不利影響線進行加載，計算工況及結果如表5、表6 所示。

表5 成橋階段穩定性計算工況

表6 成橋階段穩定性計算結果

3.3.2 計算結果分析

從計算結果可知，成橋階段穩定性同樣由自重荷載控制，且較最大懸臂狀態有了一定的提高。該階段風荷載對結構穩定影響較小，汽車荷載對結構穩定有一定的影響，不可忽略。

4 結論

本文對主橋（83+155+83）m 的高墩大跨連續剛構橋裸墩、最大懸臂、成橋階段的穩定性進行了計算分析，得出如下結論：

a）該橋在施工及成橋階段均具有較好的穩定性，且各階段穩定性主要由自重荷載控制，施工過程中應嚴格按照設計要求控制結構尺寸。

b）裸墩狀態時，結構屬于靜定體系，風荷載對結構穩定影響甚微，該階段穩定性不控制設計；最大懸臂狀態時，結構體系未發生改變，因雙肢共同協作，橋墩向剛度較弱的方向發生失穩；成橋階段，結構轉變為超靜定體系，該階段風荷載影響較小，汽車荷載對結構穩定有一定的影響，不可忽略，該階段結構穩定不控制設計。

c）通過3 個典型階段穩定性分析，最小穩定特征值為17.77，發生在最大懸臂狀態，是結構穩定分析的控制階段，在設計和施工階段應對引起結構失穩的因素給與足夠重視并嚴格控制，尤其長細比超過規范強度驗算范圍時，還需進行第二類穩定驗算。