大跨、長聯(lián)、矮墩連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)施工與運營階段穩(wěn)定性分析

蔡紀(jì)鋒

（福州市規(guī)劃設(shè)計研究院，福建 福州 350108）

大跨、長聯(lián)、矮墩連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)施工與運營階段穩(wěn)定性分析

蔡紀(jì)鋒

（福州市規(guī)劃設(shè)計研究院，福建 福州 350108）

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

大跨度；長連續(xù)梁橋；穩(wěn)定性；分析

0 引言

穩(wěn)定問題是力學(xué)中一個重要分支，是橋梁工程中經(jīng)常遇到的問題，與強度問題有著同等重要的意義。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題可以分為兩類：一類是分支點失穩(wěn)；另一類是極值點失穩(wěn)。分支點失穩(wěn)是指系統(tǒng)的應(yīng)力狀態(tài)處于某種臨界狀態(tài)時，對于臨界位形的任何擾動都可能使系統(tǒng)喪失穩(wěn)定性，如理想的軸心受壓直桿；極值點失穩(wěn)是指當(dāng)作用在系統(tǒng)上的外力達(dá)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(xù)增加，結(jié)構(gòu)喪失承載能力，如偏心受壓直桿[1]。國內(nèi)外在橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(wěn)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(jié)構(gòu)；二類是線彈穩(wěn)定分析；三類則為幾何非線性分析；四類是將動風(fēng)載等效為靜風(fēng)載的有關(guān)研究[2]。

連續(xù)梁橋由于外觀簡潔、跨越能力大、施工方便、造價低等優(yōu)點，是工程領(lǐng)域修建最多的橋梁之一。近年來隨著公路與城市道路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，在場地條件復(fù)雜的位置修建大跨度長連續(xù)梁橋，由此導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(yīng)用MIDAS CIVIL2010有限元軟件計算分析了一座復(fù)雜橋址的大跨長聯(lián)連續(xù)梁橋的最大懸臂和成橋階段的穩(wěn)定問題，對設(shè)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(fā)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(nèi)，主橋橋橋型布置圖見圖1所示。大橋單幅橋?qū)?6.5 m；道路等級：一級公路兼城市主干道；主橋設(shè)計為70 m+4×120 m+ 70 m變截面預(yù)應(yīng)力連續(xù)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(shè)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(shè)計,頂寬10 m，底寬6.5 m，墩側(cè)設(shè)0.2 m倒角，墩高約14～18 m,屬典型矮墩梁橋結(jié)構(gòu)。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(fēng)影響，自然條件較復(fù)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(jié)構(gòu)動力分析和屈曲分析,樁土作用采用節(jié)點彈性支撐，根據(jù)實際鉆探資料利用土彈簧模擬土對樁的水平側(cè)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(jié)設(shè)計模擬，成橋狀態(tài)采用一般連接特性滯后系統(tǒng)模擬支座。

3 動力特性分析

連續(xù)梁的動力特性是研究連續(xù)梁動力行為的基礎(chǔ)，其自振特性決定其動力響應(yīng)的特性。一階豎彎振型對橋梁的抗風(fēng)穩(wěn)定性有較大的影響，一階橫彎振型對橋梁在風(fēng)荷載作用下的側(cè)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(tài)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(jié)構(gòu)類型，結(jié)構(gòu)前6階振型特征主要表現(xiàn)為主梁縱飄、豎向彎曲振動和側(cè)向彎曲振動，表現(xiàn)出連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)體系的特點。

4 穩(wěn)定性分析

4.1 風(fēng)荷載

分析考慮縱、橫向風(fēng)荷載作用，風(fēng)荷載按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）選取，標(biāo)準(zhǔn)荷載可按下式計算:

式中：Fwh為橫橋向風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；K0為設(shè)計風(fēng)速重現(xiàn)期換算系數(shù)，取1.0；K2為考慮地面粗糙度類別和梯度風(fēng)的風(fēng)速高度變化修正系數(shù)；K3為地形地理條件系數(shù)，取1.0；K5為陣風(fēng)風(fēng)速系數(shù)，取1.38；Wd為設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)壓；Awh為迎風(fēng)面積；W0為基本風(fēng)壓，由于橋位處缺乏觀測資料，橋梁設(shè)計基本風(fēng)速采用規(guī)范[3]附表A福州風(fēng)壓，最大懸臂狀態(tài)按1/50取0.7 kN/m2，成橋運營階段風(fēng)速按1/100取0.85 kN/m2；K1為風(fēng)載阻力系數(shù)對橋墩按規(guī)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(wěn)定驗算

大跨連續(xù)梁橋施工階段穩(wěn)定性包括橋墩自體穩(wěn)定性和主梁懸澆過程的穩(wěn)定性，其中施工最大懸臂階段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最差，成為橋梁施工穩(wěn)定性控制關(guān)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(tài)下的施工荷載主要考慮了以下幾項：

（1）A、B兩側(cè)掛籃就位，A側(cè)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(cè)多5%，B側(cè)少5%，兩側(cè)自重系數(shù)分別為:

（3）施工活載A側(cè)作用有機具重100 kN，B側(cè)無。

（4）掛籃重量取680 kN，其中掛藍(lán)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(shù)取2,即把失去的重量反向放大2倍，按靜力問題分析穩(wěn)定性。

（5）縱向風(fēng)載(風(fēng)速偏保按1/50取33.9m/s)，根據(jù)規(guī)范不對稱系數(shù)取0.5，縱向施加風(fēng)壓。

（6）橫向風(fēng)載 (風(fēng)速偏保按1/50取33.9 m/s)，根據(jù)規(guī)范不對稱系數(shù)取0.5，橫向施加風(fēng)壓。

以4種工況進行穩(wěn)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(wěn)定特征值見表2所列，最不利工況下的一階失穩(wěn)模態(tài)為縱向側(cè)傾見圖3所示。

表2 最大懸臂狀態(tài)下前五階失穩(wěn)特征值一覽表

圖3 最大懸臂狀態(tài)下一階失穩(wěn)模態(tài)圖（工況3）

根據(jù)四種工況計算的失穩(wěn)特征值可以看出，工況3為穩(wěn)定最不利荷載組合，一階縱向失穩(wěn)特征值為39.13大于5，滿足規(guī)范要求[1]，計算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)具有足夠的安全儲備。最大懸臂狀態(tài)時，對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起控制作用的是恒載，活載、風(fēng)荷載等相對較小不起控制作用，不論風(fēng)荷載的作用方向如何變化，穩(wěn)定特征值較接近，模態(tài)相同。

4.3 成橋狀態(tài)下穩(wěn)定驗算

成橋運營階段，結(jié)構(gòu)受荷載種類增加，對穩(wěn)定計算需要考慮汽車活載的布載位置，結(jié)構(gòu)計算荷載取：

①一期恒載即結(jié)構(gòu)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(cè)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(fēng)載(風(fēng)速按1/100取37.4 m/s)。

以2種工況進行穩(wěn)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(wěn)定特征值見表3所列，最不利工況下的一階失穩(wěn)模態(tài)為縱向側(cè)傾見圖4所示。

表3 成橋狀態(tài)下前五階失穩(wěn)特征值一覽表

圖4 成橋狀態(tài)下一階失穩(wěn)模態(tài)圖（工況2）

根據(jù)兩種工況計算的穩(wěn)定特征值可以看出，成橋階段結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模態(tài)表現(xiàn)為橋墩失穩(wěn)破壞引起的結(jié)構(gòu)縱飄,工況2為最不利組合,一階穩(wěn)定特征值為57.66大于5，滿足規(guī)范要求[1]，結(jié)構(gòu)具有足夠的安全儲備,不會發(fā)生屈曲穩(wěn)定破壞。

5 結(jié)論

通過對新南港大橋施工階段及成橋階段的穩(wěn)定分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）從不同工況組合計算結(jié)果看出，對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起控制作用的是恒載，活載、風(fēng)荷載等對橋梁最大懸臂狀態(tài)的穩(wěn)定影響不大。

（2）根據(jù)最大懸臂狀態(tài)和成橋階段計算分析，最大懸臂狀態(tài)為最不利穩(wěn)定狀態(tài)，λ值最小為39.12大于5，滿足規(guī)范要求[1]，結(jié)構(gòu)具有足夠的安全儲備。

（3）采用軟件來分析橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(jié)果準(zhǔn)確性的主要因素。

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

[2]王解軍，梁錦鋒.風(fēng)載作用下高墩連續(xù)剛構(gòu)橋的非線性穩(wěn)定分析[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2008，28（4）：74-79.

[3]徐洪濤,廖海黎,李明水,等.壩陵河大橋節(jié)段模型風(fēng)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(jì)鋒（1977-），男，福建蒲田人，高級工程師，從事道路工程設(shè)計工作。