大跨連續(xù)剛構橋的穩(wěn)定性分析

魏 強,張雪峰,李文斌,曾 勇

(1.重慶交通大學,重慶 400074;2.重慶市城市建設投資公司,重慶 400042;3.重慶橋梁工程有限責任公司,400060;4.林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司四川分公司,四川成都 610041)

大跨連續(xù)剛構橋的穩(wěn)定性分析

魏 強1,張雪峰2,李文斌3,曾 勇4

(1.重慶交通大學,重慶 400074;2.重慶市城市建設投資公司,重慶 400042;3.重慶橋梁工程有限責任公司,400060;4.林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司四川分公司,四川成都 610041)

高墩大跨徑連續(xù)剛構橋近幾年在我國公路建設中得到廣泛應用,未來剛構橋有向跨徑進一步加大,上部結構連續(xù)長度進一步加長,墩高將越來越高的方向發(fā)展。剛構橋的穩(wěn)定性分析越來越重要。文章側重從理論上分析了剛構橋的失穩(wěn)問題及求解方法,并用MIDAS/CIVIL軟件對重慶市潼南縣蓮花大橋進行穩(wěn)定性的仿真計算。

橋梁; 連續(xù)剛構; 穩(wěn)定性

橋梁結構的穩(wěn)定性關系到橋梁結構的安全,它與橋梁的強度有著同等的甚至更重要的意義。世界上曾經(jīng)有過不少的橋梁因失穩(wěn)而導致全橋破壞的例子。例如加拿大的魁北克(Quebec)橋。該橋在南側錨碇桁架快要架完時,由于懸臂端下弦桿的腹板屈曲而發(fā)生突然崩塌墜落。

1 失穩(wěn)問題及其求解方法

1.1 兩類穩(wěn)定問題

第一類為分支點失穩(wěn)問題;第二類極值點穩(wěn)定問題。實際工程中的穩(wěn)定性問題一般都表現(xiàn)為第二類失穩(wěn)。但是,由于第一類穩(wěn)定問題時特征值問題,求解方便,在許多情況下兩類問題的臨界值又相差不大,因此研究第一類穩(wěn)定問題仍然有著重要的工程意義。

1.2 求解方法

因為高墩大跨連續(xù)剛構橋基本屬于剛接的平面桿件結構,因此可以對平面桿單元運用有限元方法分析,得出其彈性剛度矩陣表達式:

結構變形與受力的基本公式:

按式(2)可以求得在荷載{F}作用時的位移{δ},如果荷載不斷增加,則結構的位移增大。

在小變形情況下,當{F}增加 λ倍時,幾何剛度矩陣及桿端力均增加 λ倍,因而有

如果 λ足夠大,使得結構達到隨遇平衡狀況,即{δ}變?yōu)閧δ}+{△δ},上式平衡方程也能滿足,則:同時滿足式(3)和式(4)的條件是:

這就是計算穩(wěn)定安全的特征方程式,如果方程有n階,那么理論上存在n個特征值λ1λ2λ3……λn。在工程問題中只有最低的特征值或最小的穩(wěn)定安全系數(shù)才有實際意義,這時的特征值為λcr,即最小穩(wěn)定特征值,臨界荷載值為λcr{F}。

2 工程實例

2.1 工程概述

潼南縣蓮花大橋位于重慶市潼南縣縣城,南岸接老城區(qū)濱江路,北岸接新城區(qū)西十路口。主橋上部結構為(90+150 +90)m預應力混凝土連續(xù)剛構,橋梁全長 330m,如圖 1。主梁為單箱單室結構,主梁寬度為(2.5+7+2.5=12)m,其中,箱梁底板寬度為6.5m,翼緣板長度為2.75m。箱梁根部梁高為8.5m,相應底板厚度為1.2m。合龍段及邊跨現(xiàn)澆段梁高3.2m,相應底板厚度 0.3m。箱梁下緣按二次拋物線變化。全橋共設 7道橫隔板,其中 0號塊處墩頂橫隔板4道、梁端橫隔板 2道及跨中合龍段 1道。梁主墩采用鋼筋混凝土雙薄壁柔性墩,其混凝土強度等級為C 55。

設計荷載為汽車:城市—B級;人群:2.5 kN/m2。

圖1 潼南涪江人行橋主橋整體布置

連續(xù)剛構橋在 T構懸澆過程中的高墩自體穩(wěn)定性、主梁懸澆過程最大懸臂時的穩(wěn)定性和成橋后全橋的穩(wěn)定性都很重要。分析計算采用midas有限元軟件,采用梁單元對全橋進行逼真模擬穩(wěn)定分析。

2.2 橋墩自體穩(wěn)定性

2.2.1 風荷載計算

(1)橫向風壓:根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D 60—2004),橫向設計基準風壓為:

圖2 橋墩的失穩(wěn)模態(tài)

式中:K2=1.12;K5=1.38;Wo=400N/m2。

風荷載標準值:Fwh=k0k1k3WdAwh

式中:k0=1;k1=0.8;k3=1

(2)縱向風壓:為橫向風壓的70 %。

2.2.2 橋墩的自身穩(wěn)定性分析

在自重加橫向荷載和自重加縱向荷載兩種工況下,橋墩的穩(wěn)定特征值見表 1。由表 1可知,在兩種工況下,最小特征值均遠遠大于 5,說明在橋墩施工過程中,穩(wěn)定性可以滿足要求。失穩(wěn)模態(tài)見圖 2。

2.3 最大懸臂狀態(tài)下的穩(wěn)定性

當結構懸臂施工到最末懸澆段 16#塊時懸臂最長,此時,

在恒載誤差、風荷載和施工荷載誤差作用下,結構最不安全。因此需對該階段進行穩(wěn)定性分析。風荷載大小與上節(jié)相同,在最大懸臂狀態(tài)下,結構的側向變形主要表現(xiàn)為一端掛籃脫落(非正常工作)。在恒載、施工荷載、節(jié)段施工誤差不平衡重量及風載條件下,對最大懸臂狀態(tài)下的懸澆施工進行穩(wěn)定性分析結果見表 2,失穩(wěn)模態(tài)見圖 3、圖 4。

圖3 最大懸臂掛籃正常工作失穩(wěn)模態(tài)

圖4 最大懸臂掛籃非正常工作失穩(wěn)模態(tài)

以上分析表明,最大懸臂狀態(tài)下的穩(wěn)定性滿足要求。

2.4 全橋穩(wěn)定性

在運營階段,橋梁承受恒載(包括結構自重、橋面鋪裝等)、汽車荷載、風荷載、人群荷載(3.0 kN/m)的作用,在成橋穩(wěn)定計算時考慮以下荷載組合:恒載+二期恒載+風荷載。穩(wěn)定特征值為 75.91。計算結果表明,成橋后各工況下結構穩(wěn)定性均滿足要求。全橋失穩(wěn)模態(tài)見圖 5。

圖5 全橋失穩(wěn)模態(tài)

3 結 論

(1)高墩大跨徑橋梁結構的穩(wěn)定性主要與施工階段有關,而墩施工時風荷載以及一側失重等情況對結構穩(wěn)定性的影響不大。

(2)最大懸臂階段的穩(wěn)定特征值比成橋階段的小,說明該橋控制的關鍵是最大懸臂施工階段。

(3)本文以彈性穩(wěn)定理論為基礎,用有限元方法對該橋不同工況下各階段的穩(wěn)定性進行計算,計算結果可知結構穩(wěn)定性滿足要求。

[1] 李國豪.橋梁結構穩(wěn)定和振動[M].北京:中國鐵道出版社,2002

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

[3] 王振陽,趙煜,徐興.高墩大跨徑橋梁穩(wěn)定性[J].長安大學學報(自然科學版),2003(7)

U 445.464

B

2009-12-23

魏強(1984～),男,碩士研究生,從事橋梁結構損傷、病害分析、加固與健康檢測工作。