系梁對(duì)陡坡段樁柱式橋墩屈曲穩(wěn)定性的影響分析

許國(guó)龍

（新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

一、引言

我國(guó)中西部地區(qū)多為山嶺重丘區(qū)，高等級(jí)公路受地形、地質(zhì)條件和線(xiàn)路平、縱、橫指標(biāo)限制，部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境特別脆弱。為了保護(hù)脆弱的自然生態(tài)環(huán)境和有限的耕地資源，避免高填深挖，當(dāng)路線(xiàn)穿過(guò)特別復(fù)雜的地形時(shí)，不得不沿著陡坡采用全高架或半路半橋的結(jié)構(gòu)形式，因此在中西部高等級(jí)公路建設(shè)中，橋梁的總造價(jià)一般超過(guò)了整條公路總投資的30%。位于陡坡上的公路橋梁，下部結(jié)構(gòu)常采用樁柱式橋墩，樁柱式橋墩一般有兩種施工方法：一種是采用模板施工，另外一種是采用腳手架施工，對(duì)于地形復(fù)雜的山區(qū)而言一般采用模板施工。對(duì)樁柱式高墩，設(shè)置柱間系梁，可改善橋梁下部結(jié)構(gòu)受力，施工卻存在很大困難。

目前，國(guó)內(nèi)系梁對(duì)陡坡段樁柱式橋墩屈曲穩(wěn)定性的研究比較少，但系梁對(duì)陡坡段樁柱式橋墩屈曲穩(wěn)定性具有十分重要的影響，是目前行業(yè)內(nèi)山區(qū)橋梁設(shè)計(jì)中亟待解決的問(wèn)題。本文分析研究了G0711烏魯木齊至尉犁段高速公路中位于陡坡路段的樁柱式高墩，總結(jié)了系梁對(duì)位于陡坡路段樁柱式橋墩屈曲穩(wěn)定性的影響。

二、工程概況

G0711烏魯木齊至尉犁段高速公路某橋橋墩兩側(cè)地面坡率大于1：1.25，屬于陡坡路段。該橋主梁為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁橋，主跨為2×30m，橋面寬12.75m。下部結(jié)構(gòu)采用雙圓柱形樁柱式橋墩，材料為C40混凝土，墩高23.8m，墩徑1.7m，沿墩高方向設(shè)置兩道系梁，系梁尺寸為1.5m×1.2m，蓋梁順橋向尺寸為2.4m，橫橋向尺寸為12.35m。樁基采用強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土，施工工藝為鉆孔灌注樁，單樁軸向受壓承載力Ra按摩擦樁計(jì)算，樁徑1.8m，樁長(zhǎng)取20m。地震加速度為0.15g，地震設(shè)防烈度為8度，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅰ類(lèi)。樁側(cè)土層由樁頂至樁底為：第一層土為約2m厚的圓礫土，第二層土為約10m厚的卵石土，第三層土為約6m厚的強(qiáng)風(fēng)化砂巖，第三層土為約4m厚的強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。土層建議力學(xué)參數(shù)為：圓礫土，卵石土，強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖強(qiáng)風(fēng)化砂巖

三、確定邊界條件

樁基埋入土體中，樁側(cè)各層土的力學(xué)性質(zhì)不盡相同，所以墩柱屈曲穩(wěn)定性受諸多不確定性因素影響。以往對(duì)樁柱式橋墩屈曲穩(wěn)定性的研究，一般都是將橋墩和樁基分別考慮，計(jì)算墩柱與蓋梁時(shí)，將每根樁基截取一定的長(zhǎng)度直接固結(jié)于底部的等效基礎(chǔ)，不計(jì)入樁基礎(chǔ)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，樁基也直接按承受軸向荷載的結(jié)構(gòu)計(jì)算，這種方法不夠合理，一是因?yàn)闃蚨蘸蜆痘季哂幸欢ǖ娜岫?，二是因?yàn)槎钙碌拇嬖冢钙露螛段惶幫幸欢ê穸鹊纳细餐翆踊驈?qiáng)風(fēng)化巖層，樁周土體在鉆孔施工的過(guò)程中，由于受施工機(jī)械的擾動(dòng)，導(dǎo)致邊坡原有的平衡狀態(tài)遭到破壞，使陡坡產(chǎn)生變形或滑移，此時(shí)樁基不僅僅是承受上部結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的豎向荷載，同時(shí)也會(huì)承受陡坡產(chǎn)生的橫向荷載，這種情況下承載特性異常復(fù)雜?？偠灾钙露螛痘艿降暮奢d可分為三類(lèi)：第一類(lèi)是樁頂?shù)妮S向荷載、水平荷載以及偏心軸向荷載產(chǎn)生的彎矩，第二類(lèi)是樁周坡體由于擾動(dòng)產(chǎn)生的剩余下滑力，第三類(lèi)是地基產(chǎn)生的抗力。

樁土邊界條件采用土彈簧模擬樁與土的相互作用，真實(shí)模擬樁基礎(chǔ)。土彈簧的系數(shù)由m法計(jì)算所得，m取自《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3363-2019）附錄L中的表P.0.2-1，由于規(guī)范提供的取值范圍比較大，本文結(jié)合地質(zhì)報(bào)告中對(duì)各土層的物理力學(xué)參數(shù)描述，選取中下值，同一土層的m值隨也深度的增加而增大。本文利用土彈簧系數(shù)建立考慮樁土效應(yīng)的Midas civil墩柱有限元模型，施加邊界條件的方法如下：首先將樁基礎(chǔ)離散為1m一個(gè)單元，再將樁周土層按照實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行分層，然后輸入每個(gè)節(jié)點(diǎn)的土彈簧水平剛度系數(shù)，由土彈簧水平剛度系數(shù)聯(lián)立式（1）和式（2）解得。該工程背景的土彈簧水平剛度系數(shù)求解過(guò)程如表1所示。

式（1）中，mn為第n層土的地基抗力系數(shù)的比例系數(shù)；zn為第n層土底面到地面的深度；hn為第n層土的厚度；b1為單樁的計(jì)算寬度。式（2）中，為形狀換算系數(shù)，圓形樁取值為0.9，矩形樁取值為1；b為垂直于水平力作用方向的樁寬度。

四、樁柱式橋墩臨界荷載系數(shù)及失穩(wěn)模態(tài)比較

建立橋墩梁?jiǎn)卧Ｐ停斎胫髁簜鬟f下來(lái)的荷載，并且模擬樁土邊界條件，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2可知，有無(wú)柱間系梁時(shí)，縱向最小屈曲臨界荷載系數(shù)2.7，均出現(xiàn)在第一模態(tài)；有柱間系梁時(shí)，橫橋向最小屈曲臨界荷載系數(shù)31.3，出現(xiàn)在第三階模態(tài)；無(wú)柱間系梁時(shí)，橫橋向最小屈曲臨界荷載系數(shù)11.8，出現(xiàn)在第二階模態(tài)，橫橋向屈服時(shí)，均略帶扭轉(zhuǎn)，但臨界荷載系數(shù)較大，對(duì)結(jié)構(gòu)安全無(wú)影響。

表1 本工程背景的土彈簧水平剛度系數(shù)求解過(guò)程

表2 臨界荷載系數(shù)及失穩(wěn)模態(tài)比較表

五、結(jié)語(yǔ)

綜上所示，有無(wú)柱間系梁，橋墩第一階屈曲臨界荷載系數(shù)相同，屈曲模態(tài)相同，表明系梁對(duì)初始結(jié)構(gòu)屈曲臨界荷載無(wú)影響；設(shè)置柱間系梁，可延遲陡坡段樁柱式橋墩橫橋向屈服。