薄壁高墩連續剛構橋施工狀態的穩定性分析

焦戰鋒 張書博 宋 康

隨著交通事業的快速發展，我國的公路交通建設近年來正以前所未有的速度向山區延伸。因地形條件所限，山區進行公路建設通常需要跨越河流、溝谷，致使高橋墩結構的修建日益增多。而預應力混凝土連續剛構橋因其跨越能力大、整體性能強、受力合理、施工方便等優點，受到建設單位及設計者的青睞[1]。為了能有效地減小溫度、混凝土收縮徐變以及地震等對結構的影響，要求連續剛構橋順橋向墩的抗推剛度小。加之高強度材料和先進施工方法的不斷出現，預應力混凝土連續剛構橋開始向薄壁、高墩和大跨徑趨勢發展，而該類結構的穩定問題亦日顯突出，甚至有時影響到整個結構的內力作用，橋梁結構的穩定性是關系其安全與經濟的主要問題之一，它與強度問題有著同等重要的意義[2]。

1 穩定問題及其求解方法

世界上曾有過不少橋梁因失穩而導致全橋破壞的例子，如加拿大的魁北克(Quebec)橋，我國四川的州河大橋等，而此類失穩事件所造成的損失及影響是重大而長遠的。橋梁失穩事故的發生促進了橋梁結構穩定理論與研究的發展。

結構失穩是指結構在外力增加到某一量值時，穩定性平衡狀態開始喪失，稍有擾動，結構變形迅速增大，使結構失去正常工作能力的現象[4]。在橋梁結構中，總是要求其保持穩定平衡，也即沿各個方向都是穩定的。建立在大位移非線性理論的基礎上結構穩定問題提出了兩種形式:第一類穩定是有分支點的如所謂的理想軸壓桿的歐拉屈曲問題;第二類穩定是有極值點的失穩問題，實際上結構穩定問題都屬于第二類。但第一類穩定問題的力學情況比較明確，在數學上作為求特征值問題也比較容易處理，而它的臨界荷載又近似地代表相應的第二類穩定的上限，所以在理論分析中占有重要地位[5]。

對于第一類穩定問題，大量研究所采用的方法是基于能量變分原理的近似法，而有限元法可以看作該法的一種特殊形式。特別是計算機技術迅速發展的今天，越來越多的研究者使用大型有限元通用程序研究大跨連續剛構橋高墩穩定性問題。本文結合某公路跨越山谷的薄壁高墩連續剛構橋，運用有限元程序對其施工階段最大懸臂狀態進行穩定性分析，并對其結果進行了探討。

2 工程背景及建模

某公路上一座跨越山谷的大橋，其主橋為四跨連續剛構橋，跨徑布置為(62+115+115+62)m。上部結構采用C50混凝土，為預應力結構，主梁采用單箱單室箱梁截面，梁寬12 m，墩頂處梁高6.8 m，合龍段梁高2.9 m。下部采用雙薄壁空心墩，結構1號橋墩墩高68 m，2號橋墩墩高81 m，3號橋墩墩高57 m，單肢空心墩截面長度為6 m，寬度為3.5 m，采用C40混凝土。薄壁墩與承臺固結，承臺采用C30混凝土。

運用有限元程序Midas/Civil對該橋建立三維空間有限元模型，建模過程中精確模擬結構的剛度、質量和邊界條件。由于下部采用雙薄壁墩，且橋墩較高的2號墩(墩高81 m)為全橋的最高墩，是穩定分析的最不利墩。高墩大跨連續剛構橋的穩定性包括高墩自體穩定性、主梁懸澆過程穩定性及全橋穩定性，其中施工最大懸臂狀態結構穩定性最差，成為高墩大跨連續剛構橋穩定性控制的關鍵。本文針對2號橋墩最大懸臂狀態進行穩定性分析，其有限元模型如圖1所示。

3 高墩最大懸臂狀態穩定性分析

3.1 穩定性分析的工況選擇

高墩最大懸臂施工狀態下穩定性分析計算時一般只采用掛籃荷載、自重荷載以及施工荷載。但考慮到風荷載對結構穩定性的影響較大[6]，對最大懸臂狀態的結構采用以下3種工況進行分析:

工況1:自重+掛籃荷載(最后的施工階段單側掛籃墜落)+施工堆積荷載+不平衡梁段重+施工誤差;

工況2:自重+掛籃荷載(最后的施工階段單側掛籃墜落)+施工堆積荷載+不平衡梁段重+施工誤差+橫橋向風荷載;

工況3:自重+掛籃荷載(最后的施工階段單側掛籃墜落)+施工堆積荷載+不平衡梁段重+施工誤差+順橋向風荷載。

施工荷載按主梁上1 kN/m2的方式施加均布力，不平衡梁段重按一個梁段的30%計算，施工誤差按單側懸臂恒載增加5%計算，風荷載采用JTG/D 60-01-2004公路橋梁抗風設計規范中主梁順、橫橋向及橋墩的靜風荷載計算方法。

3.2 穩定性分析結果

對結構進行各種工況的分析，結構的屈曲模態特征值、內力響應及位移響應結果見表1，且各工況下2號橋墩最大懸臂狀態的失穩模態均發生在順橋向。

表1 2號墩最大懸臂狀態穩定分析結果

由表1中結果數據可見，2號高墩在最大懸臂狀態時，各工況下的穩定特征值均大于5，滿足規范中結構穩定的要求，說明最不利橋墩在最大懸臂狀態下具有足夠的穩定安全儲備。

由于2號高墩在最大懸臂狀態時，各工況下的失穩模態均為順橋向傾覆，說明橋墩的橫向具有足夠的剛度。

4 結語

1)以薄壁高墩連續剛構橋為研究對象，在歐拉彈性穩定理論的基礎上，利用有限元法對結構最大懸臂狀態下的穩定性進行了研究，分析結果表明各工況下結構的施工穩定滿足規范要求。2)在連續剛構橋施工階段，風載不是高墩的控制因素，但它對橋墩內力的影響需要考慮，在施工過程中對結構進行內力計算時需要特別考慮風荷載的作用。3)高墩結構施工狀態時的穩定性分析無法精確模擬到其施工狀態的狀況，因此在施工時，要嚴格控制結構墩身的垂直度，盡量減少高墩的初始缺陷，以便從根本上保證薄壁高墩連續剛構橋的穩定。

[1] 殷詩峻.薄壁高墩連續剛構橋的穩定性分析[J].公路與汽運，2008(4):148-150.

[2] 馬保林.高墩大跨連續剛構橋[M].北京:人民交通出版社，2001.

[3] 龔祥瑞.大跨徑連續剛構橋的穩定性分析[J].山西建筑，2009，35(1):313-314.

[4] 唐承平.大跨連續剛構橋高墩穩定問題研究現狀[J].四川建筑科學研究，2008，34(6):68-70.

[5] 李國豪.橋梁結構穩定和振動[M].北京:中國鐵道出版社，2002.

[6] 何 暢.薄壁高墩連續剛構橋的空間穩定分析[J].公路，2005(11):32-35.