鋼筋混凝土支撐立柱受偏心荷載穩定性淺析

周 杰 王 宇 貴建軍 賀青青

(1.中國船舶重工集團國際工程有限公司，北京 100121； 2.中船重工海鑫工程管理(北京)有限公司，北京 100121)

0 引言

隨著城鎮化進程的加快，土地使用需求量日益加大，由于受到既有建構筑物、交通等周邊眾多條件的限制，工程項目的施工環境變得越來越復雜。以工程建設項目中一種輔助支撐體系為例，滿堂支架作為橋梁等現澆混凝土工程的一種支撐方式，已經極為成熟，但由于目前在城市中上跨市政路、高速公路和既有鐵路線修建橋梁的情況十分常見，滿堂支架往往受到場地限制而無法使用，因此需要尋求另外一種能節約場地同時又能滿足安全性和穩定性要求的支撐方式。

鋼筋混凝土立柱作為支撐已有一定的應用，其較素混凝土柱具有較高的承載力、較好的延性等力學性能，同時使施工過程變得簡潔方便，因此近些年鋼筋混凝土柱被廣泛的應用于高層建筑、橋梁工程等結構中用于承受大荷載作用[1]。因此研究鋼筋混凝土立柱支撐技術是十分有必要的，楊曉、李學建[2]、郭偉、李毅[3]、姚璐[4]等大量研究人員從施工、設計等方面進行了研究探討并獲取了一些研究成果。但研究鋼筋混凝土立柱作為支撐在偏心荷載作用下的穩定性問題鮮有提及，本文結合具體項目，對不同工況下豎向偏心荷載對立柱穩定性的影響進行了簡要的有限元分析。

1 項目背景

西北某地上跨既有公路線新建橋連續梁(40+64+40) m全長145.5 m，計算跨度(60+100+60) m，梁體類型為單箱單室、變高度、變截面結構。箱梁頂寬12.2 m,底寬6.7 m。梁體各控制截面梁高分別為端支座處及邊跨直線段和跨中處為3.05 m，中支點處梁高6.05 m，箱梁底板下緣按二次拋物線變化，梁底拋物線方程為y=0.007 218x1.8。

新建橋梁以小角度跨越既有G312國道，該國道車流量較大，不適宜采用滿堂支架現澆方案施工，故設計采用懸灌法施工，兩個主墩上部懸灌結構設計相同，主墩上部設置0號塊、塊長8.0 m，邊跨分為7節段，1段～2段長度為3.5 m，3段～7段長度為4.0 m，中跨、邊跨合龍段塊長均為2.0 m，現澆段長10 m。

為保證懸澆梁體的穩定性，在各中墩兩側設置鋼筋混凝土立柱。鋼筋混凝土立柱截面為0.95 m×0.95 m，混凝土標號為C50，主筋為HRB335Ф25鋼筋，箍筋為HRB335Ф12鋼筋，立面圖及平面圖如圖1,圖2所示。

2 有限元分析

對于鋼筋混凝土立柱的安全性分析思路如下：

1)分析鋼筋混凝土立柱的工作狀況；

2)確定作用于鋼筋混凝土立柱上的最不利荷載；

3)對鋼筋混凝土立柱安全性進行論證。

鋼筋混凝土立柱荷載分析是其安全性驗算關鍵部分。

2.1 工作狀況分析

懸澆施工過程中考慮如下兩個方面的不平衡荷載，已施工梁段的混凝土容重存在5%的差異性與T構兩端存在一個節段的混凝土不平衡容重。由于橋梁懸澆施工過程持續時間不長，對于臨時設施承受的風荷載作用，一般按10年一遇考慮。

2.2 有限元模型

對于懸澆施工的橋梁，采用梁單元建模，對于鋼筋混凝土立柱用彈性連接來模擬，模型共256個單元，如圖3所示。邊界設置見圖4，鋼筋混凝土立柱與主梁用彈性連接相連，其中荷載較重的懸臂一側用一般彈性連接，另一側用只受壓彈性連接。

2.3 計算結果

1)5%不平衡容重施工。

最大反力發生在澆筑12號塊濕重時，最大反力如圖5，圖6所示，即鋼筋混凝土立柱所受的最大作用力為456.4 t。

2)一節段不平衡施工。

最大反力發生在澆筑12號塊濕重時，最大反力如圖7，圖8所示，即為984.3 t。

3)5%容重不平衡+一段不平衡。

最大反力發生在澆筑12號塊濕重時，最大反力如圖9，圖10所示，即為1 387.2 t。

4)風荷載+5%容重不平衡+一段不平衡。

懸臂澆筑施工過程中，最大迎風面積為579.2 m2，10年一遇風壓取0.30 kN/m2，所受推力合力為437.88 kN，合力作用點距離橋面3.03 m，假定橋墩及兩側鋼筋混凝土立柱分別按承壓面積及豎向荷載的比例承受水平荷載。鋼筋混凝土立柱豎直面承受的橫向風荷載按0.58 kN/m考慮(見圖11)。

在風荷載作用下，單個臨時墩所受的豎向力為149.96 kN，最大水平力為7.47 kN。

通過上述的1)～4)分析可知，單個鋼筋混凝土立柱承受的最不利荷載為：

1)臨時最大豎向反力為6 947.24 kN；

2)最大水平推力為7.47 kN。

3 鋼筋混凝土立柱荷載偏心情況分析

底部固結鋼筋混凝土立柱分析計算模型如圖12所示，其最不利荷載工況為5%不平衡容重+一節段梁重+10年一遇風荷載。為了考察鋼筋混凝土立柱的安全性，對不同偏心荷載條件下的立柱進行受力及穩定分析，得到其應力狀態與臨界荷載系數。其中臨界荷載系數又稱穩定系數，是穩定分析中對應于某種荷載工況下，結構或構件達到臨界失穩狀態所需荷載與實際荷載的比值，小于1表明結構或構件在實際荷載下已失穩。

1)豎向荷載偏心0.1 m。

由圖13，圖14可知，偏心0.1 m的豎向荷載條件下，立柱臨時最大壓應力13.6 MPa，未出現拉應力，其穩定系數為9.76，滿足強度及穩定性要求。

2)豎向荷載偏心0.25 m。

圖15，圖16給出了偏心0.25 m豎向荷載下立柱應力結果，其最大壓應力為20.9 MPa，最大拉應力為4.7 MPa，超過C50混凝土的抗拉強度標準值2.64 MPa。圖17表明其穩定安全系數為9.76，穩定性滿足要求。

通過上述計算分析可知，在0.1 m的偏心荷載條件下，立柱強度及穩定性均滿足要求，而0.25 m偏心荷載條件下立柱已出現拉應力且超過混凝土材料標準抗拉強度，因此實際施工時宜控制偏心距不超過立柱邊長的10%。

4 結論和展望

通過上述的分析可知，在考慮5%混凝土容重差異及一節段不平衡施工的荷載條件下，鋼筋混凝土立柱軸壓強度和穩定性滿足要求。但是荷載偏心分析時發現，立柱對拉、壓應力變化十分敏感。因篇幅和筆者水平所限，本文僅模擬了兩種荷載偏心情形，考慮到現場施工條件的差異性，從保障工程施工可靠性及安全性角度建議：

1)須采取合適措施，保證傳遞到立柱的豎向荷載偏心距不大于立柱短邊的10%；

2)須采取合適措施，防止立柱被外力沖撞，做好立柱變形監測；

3)加強立柱的構造配筋采用雙根Φ25的鋼筋，并特別注意保持立柱與既有承臺的可靠連接。