懸灌法施工條件下超高墩連續梁穩定性分析

■田國偉

（永升建設集團有限公司，克拉瑪依 834000）

1 引言

近年來， 隨著國內外橋梁施工技術的不斷完善，懸灌梁施工技術已逐漸完善，但在一些復雜惡劣施工工況下，該種施工方法仍存在一定的風險和挑戰。 學者們就此進行了相應的探討：魯偉等[1]以某復雜山區懸灌梁施工為研究對象，對惡劣條件下懸灌梁的施工工藝進行了詳細的介紹，研究結果可為類似工程施工提供一些參考；馮麗[2]對現澆預應力大跨度連續箱梁懸臂法施工中采用鋼管混凝土柱臨時支墩施工的設施設計進行了探討；胡志華[3]以某連續梁臨時支墩設計為研究對象，重點分析采用了鋼管混凝土柱支撐時的穩定性，并依據數值分析方法對結構穩定性進行了驗證分析；張茜[4]對懸灌法施工的連續梁、連續剛構0# 塊托架的穩定性、安全性進行了優化設計；李林革[5]以某高墩大跨連續鋼構橋為研究對象， 用有限元軟件作為分析工具，重點分析了其在地震作用下的震動和破壞規律；叢義營[6]對高墩連續剛構橋懸灌段冬季施工技術進行了保暖措施的優化；丁鳳臣[7]以某地區高墩連續剛構橋梁施工為分析對象， 通過對抽芯模板施工、空心墩垂直施工等關鍵施工技術的分析，并結合現場監測數據，給出了高墩連續剛構橋梁施工工程中的一些方法和建議。 綜上所述，學者們對不同天氣條件、施工環境下的懸灌梁的施工工藝都進行了一定的優化設計，本文在此基礎上，以某地區超高墩懸灌法施工為研究對象， 通過采用大型有限元軟件，重點分析了不同工況下結構的穩定性，并對相關影響參數進行了分析，研究結果可為類似工程設計和施工提供參考和借鑒。

2 工程概況

某大橋采用（64+122×2+64）結構布置形式，梁體為箱梁，長度為368.6 m，梁高在4.6 m～8.8 m，箱梁的頂板和底板寬度分別為8.4 m 和6.0 m。 橋墩高度最短的為96 m，最高的為114 m。 箱梁和橋墩分別采用C55 和C35 的混凝土，本文主要以高度為114 m 超高墩為研究對象，重點分析在最大懸臂狀態時（此時的懸臂長度為60 m）和合攏狀態下結構的穩定性，并分析相關參數改變帶來的影響。

3 數值建模

3.1 模型建立

如圖1 所示， 采用MIDAS 軟件建立有限元模型，箱梁的頂板、底板寬度分別為8.4 m 和6.0 m，橋墩高度為114 m，最大懸臂長度為58 m，整個“T”型結構共劃分為159 個節點和156 個單元，其中橋墩和箱梁分別為82 個和78 個。橋梁跨度為122 m，兩端各取掉1 m，最終橋墩中心距離懸臂端為60 m（圖1）。 箱梁和橋墩分別采用C55 和C35 的混凝土，箱梁、墩身和鋼絞線的相關物理力學參數如表1所示。

圖1 超高墩數值模型圖

表1 超高墩結構物的物理力學參數

3.2 工況設置

如表2 所示， 本文共設置3 個不同計算工況，其中工程中采用的掛籃自重約780 kN， 外側模、底膜、 箱梁內膜以及底膜防護的自重分別為55 kN、130 kN、60 kN、56 kN。 風荷載根據規范《公路橋梁抗風設計規范（JTG/T D60-01-2004）》進行計算，文中溫差取10℃。

表2 工況設置

4 不同工況下結構穩定性分析

本文首先針對工況一， 對結構進行了一階、二階、三階和四階模態計算，經過計算可知，一階、二階、 三階和四階下的臨界荷載系數分別為14.7、55.6、97.4 和146.2，對應的屈曲方向依次為縱向、橫向、縱向和橫向。 由此可知，工況一下一階和二階模態是控制結構穩定性的主要模態，且結構縱向穩定性和橫向穩定性分別由一階模態和二階模態控制，由于一階模態遠小于二階模態，因此，在工況一作用下，該結構主要失穩類型是縱向穩定性。 圖2 給出了工況一時橫、順橋向的屈曲模態，規范規定縱向和橫向臨界荷載系數均為4.0，因此，該結構在工況一作用下均滿足規范要求，處于穩定狀態。

圖2 工況一時屈曲模態

位移是反映結構、穩定最為直觀和重要的數據，工況一時各關鍵點各方向位移如圖3 所示， 可知懸臂端位移最大，其次是梁頂，最小的在橋墩1/3 處，表明結構越往上穩定性越差， 越接近橋墩底部穩定性越好，這與工況一所考慮的懸臂掛籃密切相關。

圖3 工況一時各關鍵點各方向位移

由于一階和二階模態是控制結構穩定性的主要模態，針對工況二，對結構進行了一階和二階模態計算，經過計算可知，一階和二階下的臨界荷載系數分別為13.8 和53.4，對應的屈曲方向依次為縱向和橫向。由此可知，工況二下結構縱向穩定性和橫向穩定性分別由一階模態和二階模態控制， 且由于一階模態遠小于二階模態，因此，在工況二作用下，該結構主要失穩類型同樣是是縱向穩定性。 圖4 給出了工況二時橫、順橋向的屈曲模態，由于規范規定縱向和橫向臨界荷載系數均4.0，因此該結構在工況二作用下也均滿足規范要求，處于穩定狀態。

圖4 工況二時屈曲模態

如圖5 所示，給出了工況二時各關鍵點各方向位移，由圖可知，在x、y 和z 方向，最大位移出現位置分別在梁頂、 梁頂和懸臂端， 最大位移依次為22.6 mm、100.4 mm 和55.9 mm。 工況二作用下的荷載形式為縱向風荷載， 在y 和z 平面內出現最大位移，且與工況一對比可知，y 方向位移增大將近20 倍，這表明縱向荷載會對結構的橫向穩定性產生不利影響。

圖5 工況二時各關鍵點各方向位移

針對工況三，對結構進行了一階和二階模態計算，經過計算可知，一階和二階下的臨界荷載系數分別為14.5 和52.3，對應的屈曲方向依次為縱向和橫向。 由此可知，工況三下結構縱向穩定性和橫向穩定性分別由一階模態和二階模態控制，且由于一階模態遠小于二階模態，因此，在工況三作用下，該結構主要失穩類型同樣是是縱向穩定性。 對比工況一和工況二可知， 縱向臨界荷載最大的工況一，最小的是工況二，即三種工況下，工況二時的結構縱向穩定性最差；橫向臨界荷載最大的工況一，最小的是工況三，即三種工況下，工況三時的結構橫向穩定性最差。 綜上可知，縱向風荷載同時對結構橫向和縱向穩定性均有較大的影響，也說明了結構的穩定性主要由結構的縱向穩定性控制。 圖6 給出了工況三時橫、順橋向的屈曲模態，由于規范規定縱向和橫向臨界荷載系數均為4.0， 因此該結構在工況三作用下也均滿足規范要求，處于穩定狀態。

圖6 工況二時屈曲模態

如圖7 所示，給出了工況三時各關鍵點各方向位移，由圖可知，在x、y 和z 方向，最大位移出現位置均在懸臂端，最大位移依次為11.9 mm、201.8 mm和23.4 mm。 工況三作用下的荷載形式為橫向風荷載，在y 和z 平面內出現最大位移，這表明橫向荷載同樣會會對結構的縱向向穩定性產生不利影響。

圖7 工況三時各關鍵點各方向位移情況

5 結論

本文主要以某地區超高墩懸灌法施工為研究對象，通過采用大型有限元軟件，重點分析了不同工況下結構的穩定性，并對相關參數的影響進行了分析，得到以下結論：（1）通過對結構的一階、二階、三階和四階模態進行計算，可知，各工況下一階和二階模態是控制結構穩定性的主要模態， 且結構縱向穩定性和橫向穩定性分別由一階模態和二階模態控制，且由于一階模態遠小于二階模態，結構主要失穩類型是縱向穩定性。 （2）根據各關鍵點位移曲線可知，結構越往上穩定性越差，越接近橋墩底部穩定性越好，三種工況下，工況二時的結構縱向穩定性最差，工況三時的結構橫向穩定性最差。（3） 縱向風荷載同時對結構橫向和縱向穩定性均有較大的影響， 也說明了結構的穩定性主要由結構的縱向穩定性控制。 （4）各工況下結構的縱向和橫向臨界荷載系數均大于4.0， 即結構三種工況作用下均滿足規范要求，處于穩定狀態。