大跨、長聯、矮墩連續梁橋結構施工與運營階段穩定性分析

蔡紀鋒

（福州市規劃設計研究院，福建 福州 350108）

大跨、長聯、矮墩連續梁橋結構施工與運營階段穩定性分析

蔡紀鋒

（福州市規劃設計研究院，福建 福州 350108）

閩候新南港大橋主橋設計為70 m+4×120 m+70 m連續梁橋,橋址處自然條件復雜。為確保該橋施工和建成運營后的抗風穩定性及安全性,對橋梁主橋結構動力特性、最大懸臂階段和成橋階段進行了分析。計算結果表明：最大懸臂階段結構穩定性最差，對結構穩定性起控制作用的是恒載，活載、風荷載等對橋梁最大懸臂狀態的穩定影響不大。該計算結果為大橋的設計和施工提供了理論依據。

大跨度；長連續梁橋；穩定性；分析

0 引言

穩定問題是力學中一個重要分支，是橋梁工程中經常遇到的問題，與強度問題有著同等重要的意義。結構穩定問題可以分為兩類：一類是分支點失穩；另一類是極值點失穩。分支點失穩是指系統的應力狀態處于某種臨界狀態時，對于臨界位形的任何擾動都可能使系統喪失穩定性，如理想的軸心受壓直桿；極值點失穩是指當作用在系統上的外力達到某一極限值時，即使不增加荷載，甚至減少荷載，變形仍將繼續增加，結構喪失承載能力，如偏心受壓直桿[1]。國內外在橋梁結構穩定方面已開展了較多的研究，早在1744年，L.Euler就進行了彈性壓桿屈曲的理論計算，此后A.Polincare于1985年明確了穩定的概念……。迄今為止研究主要包括四種類型：一類是快速的簡便算法，適用于某特定的結構；二類是線彈穩定分析；三類則為幾何非線性分析；四類是將動風載等效為靜風載的有關研究[2]。

連續梁橋由于外觀簡潔、跨越能力大、施工方便、造價低等優點，是工程領域修建最多的橋梁之一。近年來隨著公路與城市道路建設的蓬勃發展，在場地條件復雜的位置修建大跨度長連續梁橋，由此導致橋梁結構的穩定問題也是一個不容忽視的問題。筆者基于有限元法，考慮了不同荷載組合的作用，應用MIDAS CIVIL2010有限元軟件計算分析了一座復雜橋址的大跨長聯連續梁橋的最大懸臂和成橋階段的穩定問題，對設計與施工具有一定的參考價值。

1 工程概況

福州閩侯新南港大橋由南嶼通向南通方向接海峽批發市場A號道路，平面位于直線段、半徑為900 m的圓曲線及其緩和曲線內，主橋橋橋型布置圖見圖1所示。大橋單幅橋寬16.5 m；道路等級：一級公路兼城市主干道；主橋設計為70 m+4×120 m+ 70 m變截面預應力連續箱梁橋；中間支點處高7.4 m；邊跨直線段及主跨跨中處高3 m；其高跨比分別為1∶16.2和1∶40，梁高變化段梁底曲線采用1.8次拋物線。主橋橋墩設計為板式花瓶墩，墩型剖面為啞鈴型斷面,中間厚度3.4 m,墩頂9 m范圍按花瓶狀設計,頂寬10 m，底寬6.5 m，墩側設0.2 m倒角，墩高約14～18 m,屬典型矮墩梁橋結構。橋梁位于大漳溪和閩江的匯流口處，地處福建沿海施工受臺風影響，自然條件較復雜。

圖1 新南港大橋主橋橋型布置圖

2 模型建立

計算采用MIDAS CIVIL2010建立有限元模型進行結構動力分析和屈曲分析,樁土作用采用節點彈性支撐，根據實際鉆探資料利用土彈簧模擬土對樁的水平側向力和豎向摩阻力(土的抗力取值按M動=3 M靜)，最大懸臂分析按圖紙墩梁臨時固結設計模擬，成橋狀態采用一般連接特性滯后系統模擬支座。

3 動力特性分析

連續梁的動力特性是研究連續梁動力行為的基礎，其自振特性決定其動力響應的特性。一階豎彎振型對橋梁的抗風穩定性有較大的影響，一階橫彎振型對橋梁在風荷載作用下的側向位移等影響很大。模型采用多重Ritz向量法計算了該橋成橋狀態動力特性，前6階的頻率、周期和振型特性見表1所列，前2階振型見圖2所示。

表1 橋梁自振頻率及振型特性一覽表

圖2 新南港大橋振型圖

從表 1和圖 2可以看出，第一階基頻為0.414 4 Hz，屬于中等周期結構類型，結構前6階振型特征主要表現為主梁縱飄、豎向彎曲振動和側向彎曲振動，表現出連續梁橋結構體系的特點。

4 穩定性分析

4.1 風荷載

分析考慮縱、橫向風荷載作用，風荷載按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）選取，標準荷載可按下式計算:

式中：Fwh為橫橋向風荷載標準值；K0為設計風速重現期換算系數，取1.0；K2為考慮地面粗糙度類別和梯度風的風速高度變化修正系數；K3為地形地理條件系數，取1.0；K5為陣風風速系數，取1.38；Wd為設計基準風壓；Awh為迎風面積；W0為基本風壓，由于橋位處缺乏觀測資料，橋梁設計基本風速采用規范[3]附表A福州風壓，最大懸臂狀態按1/50取0.7 kN/m2，成橋運營階段風速按1/100取0.85 kN/m2；K1為風載阻力系數對橋墩按規范[3]

查得，對橋梁上部按下式計算：

式中：B為橋梁寬度，取16.5 m；H為梁高。

4.2 最大懸臂階段穩定驗算

大跨連續梁橋施工階段穩定性包括橋墩自體穩定性和主梁懸澆過程的穩定性，其中施工最大懸臂階段結構穩定性最差，成為橋梁施工穩定性控制關鍵。為了能夠真實地模擬施工階段可能存在的荷載，最大懸臂狀態下的施工荷載主要考慮了以下幾項：

（1）A、B兩側掛籃就位，A側多澆1/3梁段，1/3梁段重G1=426.4 kN。

（2）考慮梁體自重不均勻，已澆梁段允許混凝土容重差±5%，A側多5%，B側少5%，兩側自重系數分別為:

（3）施工活載A側作用有機具重100 kN，B側無。

（4）掛籃重量取680 kN，其中掛藍不正常工作情況即為在施工過程中掛籃突然脫落，動力放大系數取2,即把失去的重量反向放大2倍，按靜力問題分析穩定性。

（5）縱向風載(風速偏保按1/50取33.9m/s)，根據規范不對稱系數取0.5，縱向施加風壓。

（6）橫向風載 (風速偏保按1/50取33.9 m/s)，根據規范不對稱系數取0.5，橫向施加風壓。

以4種工況進行穩定性分析:

工況1：1+2+3；

工況2：1+2+3+4；

工況3：1+2+3+4+5；

工況4：1+2+3+4+6。

各工況下的前五階穩定特征值見表2所列，最不利工況下的一階失穩模態為縱向側傾見圖3所示。

表2 最大懸臂狀態下前五階失穩特征值一覽表

圖3 最大懸臂狀態下一階失穩模態圖（工況3）

根據四種工況計算的失穩特征值可以看出，工況3為穩定最不利荷載組合，一階縱向失穩特征值為39.13大于5，滿足規范要求[1]，計算結果表明結構具有足夠的安全儲備。最大懸臂狀態時，對結構穩定性起控制作用的是恒載，活載、風荷載等相對較小不起控制作用，不論風荷載的作用方向如何變化，穩定特征值較接近，模態相同。

4.3 成橋狀態下穩定驗算

成橋運營階段，結構受荷載種類增加，對穩定計算需要考慮汽車活載的布載位置，結構計算荷載取：

①一期恒載即結構自重；

②二期恒載；

③汽車活載（按四車道布載，集中荷載作用于一側最高墩墩頂）；

④汽車活載（按四車道布載，集中荷載作用于中跨跨中）；

⑤橫橋向風載(風速按1/100取37.4 m/s)。

以2種工況進行穩定性分析:

工況1：①+②+③+⑤

工況2：①+②+④+⑤

各工況下的前五階穩定特征值見表3所列，最不利工況下的一階失穩模態為縱向側傾見圖4所示。

表3 成橋狀態下前五階失穩特征值一覽表

圖4 成橋狀態下一階失穩模態圖（工況2）

根據兩種工況計算的穩定特征值可以看出，成橋階段結構的失穩模態表現為橋墩失穩破壞引起的結構縱飄,工況2為最不利組合,一階穩定特征值為57.66大于5，滿足規范要求[1]，結構具有足夠的安全儲備,不會發生屈曲穩定破壞。

5 結論

通過對新南港大橋施工階段及成橋階段的穩定分析，可以得出以下結論：

（1）從不同工況組合計算結果看出，對結構穩定性起控制作用的是恒載，活載、風荷載等對橋梁最大懸臂狀態的穩定影響不大。

（2）根據最大懸臂狀態和成橋階段計算分析，最大懸臂狀態為最不利穩定狀態，λ值最小為39.12大于5，滿足規范要求[1]，結構具有足夠的安全儲備。

（3）采用軟件來分析橋梁結構穩定性，既方便又直觀，但是正確建模和如何選擇荷載及不同的荷載工況，將成為影響分析結果準確性的主要因素。

[1]王解軍，等.大跨連續剛構橋的高墩彈性穩定分析[J].中南公路工程，2006，31（6）46-50.

[2]王解軍，梁錦鋒.風載作用下高墩連續剛構橋的非線性穩定分析[J].中南林業科技大學學報，2008，28（4）：74-79.

[3]徐洪濤,廖海黎,李明水,等.壩陵河大橋節段模型風洞試驗研究[J].世界橋梁,2009,(4):30-33.

U441+.5

B

1009-7716（2017）04-0088-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.026

2017-01-09

蔡紀鋒（1977-），男，福建蒲田人，高級工程師，從事道路工程設計工作。