青藏高原地區大跨連續剛構橋薄壁空心高墩穩定性的研究

田潤鵬 崔永嘉 何少奇 等

摘 要：薄壁空心橋墩的局部穩定主要是通過設置橫隔板或者是控制壁厚來增強，而在規范中尚未有具體明確的規定。本文以尕瑪羊曲黃河特大橋為工程背景，其主橋上部為（65+5×120+65）m預應力混凝土連續剛構，下部主墩為單薄壁空心墩。最大墩高為111m。首先進行仿生學調研研究，建立隔板不同布置的數學模型。然后根據背景工程的實際情況進行調整，建立后期對比分析的CAD模型。然后使用ANSYS軟件進行建模分析，得到不同布置的橫隔板下，高墩結構在荷載下的靜力和穩定情況。以得到橫隔板布置的最佳位置。

關鍵詞：薄壁空心高墩；橫隔板；仿生；靜力和穩定；最佳布置

1.緒論

尕瑪羊曲黃河特大橋主橋上部為（65+5×120+65）m預應力混凝土連續剛構，箱梁頂板寬12.0m，底板寬7.0m，頂板厚0.30m，底板厚由跨中0.30m按1.8次拋物線變化至根部0.80m，腹板厚跨中段為0.50m、根部變為0.65m，漸變段長4.5m。橋墩頂部范圍內箱梁頂板厚0.50米，底板厚1.0和1.5米，腹板厚0.90米。

主橋26～31號橋墩采用單薄壁空心橋墩，單薄壁空心橋墩橫橋向寬7.0米，26、31號橋墩順橋向單薄壁尺寸為6.0米，27～30號橋墩順橋向單薄壁尺寸為7.0米，壁厚順橋向0.7米，橫橋向0.9米，其中28、29墩底至30米范圍橫橋向為漸變段。分隔墩采用單薄壁空心墩，橫橋向寬5.5米，順橋向尺寸為4.5米，壁厚0.5米；引橋橋墩采用柱式墩和空心墩；橋臺采用肋板式和柱式橋臺。

由于本文關注下部結構空心高墩的穩定研究，選取該橋中間28、29號高墩為研究對象。

2.仿生學調研研究及數學模型建立

2.1 基于仿生學研究的數學模型建立

竹子每隔一小段就有一個節，有著橫隔板的高墩結構和竹子的結構極為相似，而高墩的橫隔板就好似竹節一樣。通過仔細觀察發現：竹子的節并不是平均分布的，而是下部的竹節較為密集，中間較為稀疏，頂部又稍微密集。

選取整數近似高度110米為數學模型（與背景工程尕瑪羊曲大橋高墩高度接近）。為此，選取11m間隔布置9道0.6m厚橫隔板的高墩作為原始模型（模型A）。按照不同的方式對竹節進行修改，分別按照橫隔板距離是1m和2m的等差設置，記為模型B和C；此外，竹子是一種下粗上細的結構，我們討論的高墩結構是近似于等截面的形式，為了研究底部密集，上部逐漸稀疏的方式是否會更好，分別按1m和2m的等差進行設置，記為模型D和E。只有體積相同才具有可比性，故B、C、D、E四中模型的橫隔板數量與厚度都與A相同。數學模型如圖。

3.有限元軟件分析

3.1 模型建立

選取最高墩28#墩作為建模對象，建模過程中采用梁、墩、樁基完成模型。具體而言，模型中變截面箱梁、橋墩、承臺和樁基采用自定義界面的空間梁單元BEAM188建造。主梁、橋墩、承臺、樁基的彈性模量分別為3.55e10，3.45e10，3e10，3e10，泊松比均為0.1667。模型用LINK10模擬土彈簧，以計入樁周土層對樁基的作用。邊界條件為樁底部全約束。單元劃分粗細得當，滿足分析要求。3.2 靜力分析對比

首先對不帶隔板的高墩結構與帶橫隔板高墩結構作靜力分析，以便了解橫、縱隔板在結構靜力分析中起到的作用。這里選取不帶隔板的高墩結構與模型A布置（11米間距布置9道0.6米厚橫隔板）作對比分析。（分析過程中橫隔板按實心、未開人孔考慮）。

3.2不設置橫隔板的高墩模型

首先建立不設置橫隔板的有限元模型通過與設置橫隔板的模型形成對比分析，探究對橫隔板對高墩靜力情況的影響。施加風力荷載、上部箱梁壓力荷載與結構彎矩進行靜力分析

通過ANSYS軟件對兩種結構的靜力學分析對比可知，增加橫隔板的橋墩結構與不增加橫隔板的橋墩結構的靜力分析結果相差很小，整位移減小了2.6%，最大應力減小了2.6%。因此可知，橫隔板對結構的橋墩的靜力承載力分析結果相差無幾。

3.3 穩定性分析對比

下面針對第一節介紹的6種結構形式進行屈曲穩定性分析，以此說明橫隔板的不同布置形式對結構的穩定性的影響。

從分析結果可以看出，增加橫隔板的結構形式與不增加橫隔板的結構形式對結構的穩定性的影響差距較大。

以第一種布置型式為例，無橫隔板時的第一階特征值為7.3305E+08，增加橫隔板后的第一階特征值為8.3457E+08，增加橫隔板之后的結構比不增加橫隔板的結構的穩定特征值增加了13.85%，說明橫隔板對結構的整體穩定性起到較大的增強作用。

無橫隔板的最后一階特征值為1.5097E+11，增加橫隔板后的最后一階特征值可達到2.0778E+11，增加橫隔板之后的結構比不增加橫隔板的結構的穩定特征值增加了37.63%，說明橫隔板對結構的整體穩定性起到極大的增強作用。

另外，從分析結果還可以看出，五種橫隔板的布置型式對結構穩定性的影響相差很小，而通過各種橫隔板布置型式的特征值對比結果可知，第六種結構形式的橫隔板布置型式對整體結構的穩定性增強效果最明顯，即為橫隔板的最優布置。

參考文獻

[1]鐵道科學研究院西南研究所.矩形空心橋墩局部穩定模型試驗報告.[Z]1975.

[2]管敏鑫.空心橋墩墩壁的局部穩定[J].橋梁建設.1988（3）.64-67.

作者簡介：

田潤鵬，1998，漢，男，籍貫：黑龍江哈爾濱，本科，單位：東南大學，