某公路項目空心薄壁墩連續剛構橋的穩定性分析

摘要 連續剛構橋具有跨徑大、結構整體性好等優點，而空心薄壁墩適用于連續剛構橋施工，具有抗彎剛度高、抗扭剛度大、自重輕等特點。基于此，文章以某墩高為132 m 的空心薄壁墩連續剛構橋為例，研究了空心薄壁墩連續剛構橋的穩定性，利用空間有限元分析軟件計算分析該橋不同施工環節的結構穩定性，與理論推導公式進行對比，結果顯示該橋梁各施工環節的穩定性均滿足要求，未出現失穩風險，但該橋梁最大雙懸臂施工環節下的穩定性最低，需加強監測和控制，墩頂增設橫向系梁可有效提高結構穩定性。

關鍵詞 公路橋梁項目；連續剛構橋；穩定問題分析

中圖分類號 U445.4 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）15-0156-03

0 引言

空心薄壁墩連續剛構橋是一種經濟美觀、受力合理、施工便利的橋型，適用于中大跨徑的公路橋梁項目。然而，連續剛構橋由于高次超靜定結構特點，受溫度、收縮、徐變等因素的影響，易產生次彎矩、撓度過大等問題，影響橋梁安全性和耐久性[1]。因此，分析空心薄壁墩連續剛構橋的穩定性具有重要意義。該文以某公路項目中一座空心薄壁墩連續剛構橋為例，采用Midas Civil 軟件進行線性屈曲分析、非線性穩定分析，考慮不同施工工況、參數變化對橋梁穩定性的影響，并與理論公式進行對比驗證。

1 工程概況

某公路項目中的一座空心薄壁墩連續剛構橋主要跨越一條河流和兩條公路。主橋全長400 m，橋體由三段組成，各段分別長（110+201+110）m，采用雙向四車道設計。主墩高度為135 m、83 m，單橋體寬12.5 m。懸臂寬11.9 m、4.5 m、6.8 m、2.737 m；上部結構為變截面箱梁，梁高由根部的20 m 逐漸變化到跨中的4 m。下部結構為單肢空心薄壁墩，墩身順橋向厚度為2.5 m，橫橋向厚度由墩頂的4.5 m 逐漸變化到墩底的6.5 m。主橋布置圖如圖1 所示。

3 裸墩狀態穩定性分析

3.1 荷載工況

裸墩狀態是指橋梁上部結構尚未施工，僅下部結構空心薄壁墩暴露在風荷載作用下的狀態。考慮橋梁存在嚴重病害，導致抗風風險系數降低時，風荷載最大。采用等效靜風荷載法模擬風荷載作用。根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）的規定，上橋墩的等效靜風荷載為17.04 kN/m，主梁等效靜風荷載的橫橋向和豎橋向分別為17.4 kN/m、4.35 kN/m，施工荷載為橋體結構總重的3/10 倍，參考相關標準得到不同工況下的風速、風壓數據，如表1 所示。

3.3 結果分析

利用Midas Civil 軟件對裸墩狀態下的不同工況進行穩定性分析，得到臨界荷載系數、屈曲模態計算結果，結論如下：

（1）裸墩狀態下橋梁臨界荷載系數與風速成反比，風荷載增加會降低橋體結構穩定性[4]。

（2）裸墩狀態下，風荷載影響很小，可忽略。

（3）為驗證Midas Civil 軟件分析結果的正確性，采用理論公式（5）計算裸墩狀態下的臨界荷載系數，對比發現兩者之間的誤差在5% 以內，可相互驗證，可靠性高。

4 橋梁最大雙懸臂狀態穩定性分析

4.1 荷載工況

最大雙懸臂狀態下的橋梁穩定性可從雙幅橋、單幅橋兩種不同的荷載工況考慮：雙幅橋是指在兩個空心薄壁墩之間加裝橫向系梁，連接橋面，提高結構整體性。單幅橋是指沒有系梁的情況，兩個橋面相互獨立。施工過程中，當上部結構的懸臂長度達到最大值時，橋梁處于最大雙懸臂狀態，此時結構的穩定性受到最大挑戰，利用軟件進行穩定性分析建模，具體見圖1～3。

斜拉橋在最大雙懸臂狀態下，結構自重、風荷載、混凝土重度差異等是影響荷載工況的重要因素。其中，掛籃重量、掛籃跌落尤為關鍵[5]。掛籃重量為1 250 kN，掛籃跌落時的動力系數為2.0。為提高抗風安全性能，可在邊跨設置臨時墩，減小不平衡荷載。臨時墩可約束主梁位移，抵抗傾覆力矩。下游主梁的橫橋向風荷載為2.59 kN/m。根據這些參數可計算出各荷載工況下的臨界荷載系數、屈曲模態，具體如表2 所示。

根據表3 數據可以看出最大雙懸臂狀態下的墩頂系梁的長細比為20.5，小于相關標準規定的材料破壞限值。因此，只需維持結構穩定性就可以對其他病害進行有效控制。

5 成橋階段穩定性分析

5.1 荷載工況

成橋階段是指橋梁上部結構已經施工完成，橋體結構受到結構約束的影響，具有較高穩定性，利用建立單幅橋模型，如圖5 所示。

5.2 結果分析

成橋階段的橋體結構穩定性系數計算結果如表4所示。

根據表4 可以看出，該橋梁成橋階段穩定性系數不低于25.827，其橋體結構穩定性提升明顯，且不易受外界環境影響。

6 結論

綜上所述，該文研究了某采用空心墩施工形式的連續剛構橋橋體結構穩定性問題，分別分析該橋裸墩狀態、最大雙懸臂狀態、成橋階段的穩定性，計算各種荷載工況下的穩定性系數。根據計算結果，得到以下結論：

（1）三種狀態中，最大雙懸臂狀態的穩定性、安全性最低，需特別注意。

（2）墩頂增設橫系梁可有效提高橋體結構的穩定性，提升雙幅橋的整體性。

（3）橋體結構的穩定性受風荷載和溫度荷載的影響很小，可忽略不計。

（4）基于理論分析得到具體計算公式，可用于計算裸墩狀態、最大雙懸臂狀態下等截面空心墩的臨界荷載，與Midas Civil 軟件的結果吻合。

（5）最大雙懸臂裝填下空心薄壁墩連續剛構橋結構穩定性分析是橋體結構分析計算的重要一環，尤其是空心墩長細比超標時，需開展第二類穩定驗算，以有效保證剛構橋結構安全。

參考文獻

[1] 張國強， 惠小磊， 謝丹. 基于Midas Civil 的預應力混凝土橋梁結構承載力驗算分析[J]. 科學技術創新， 2022（13）：161-164.

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