大跨雙薄壁實心墩施工穩定性參數影響分析

孔祥麟

摘要：文章以某大跨雙薄壁實心墩連續剛構橋工程為例，以施工最大雙懸臂狀態為研究對象，選取混凝土強度等級、墩高、壁厚、橫梁個數、不對稱施工荷載5個關鍵設計參數，分析了不同設計參數對大跨雙薄壁實心墩連續剛構橋主墩施工穩定性的影響，為大跨雙薄壁實心墩設計與施工提供參考。

關鍵詞：剛構橋;雙肢;薄壁墩;穩定性;參數分析

中國分類號：U443.22

0引言

高墩連續剛構橋以其受力合理、造價經濟、施工方便等諸多優勢一直受到建設者與工程師的青睞，尤其在地形復雜的山區，更加得到了廣泛應用。然而，這類橋型因高墩所帶來的穩定問題也十分突出[1-4]。

為探索高墩連續剛構橋施工穩定性，國內外學者從不同角度對其展開了研究，如鐘文健[5]詳細分析了橫梁、壁厚對施工中的高墩大跨剛構橋穩定性影響，但研究的參數相對較少;楊龍等[6]運用有限元軟件建立高墩不同階段的三維模型，分析了高墩不同階段的線彈性穩定;王宗偉[7]以剛構橋施工最大懸臂為研究對象，分析初始幾何和初始材料缺陷對主墩穩定性的影響，文獻[6-7]研究理論較深，考慮了高墩非線性影響，但對施工指導意義一般;王凱華等[8]對比分析了不同形式橋墩對施工穩定性的影響，并提出了提高橋梁穩定性的合理建議。除此之外，尚有較多學者對高墩連續剛構橋施工穩定性進行了研究。

綜合不同學者的研究發現，高墩施工穩定問題是一個受多因素影響的問題，有必要單獨對各因素進行參數影響分析，而目前針對大跨雙薄壁實心墩剛構橋施工穩定性影響參數的研究尚未涉及。因此，本文以某（100+180+100）m大跨雙薄壁實心墩連續剛構橋工程為背景，選取混凝土強度等級、墩高、壁厚、橫梁個數、不對稱施工荷載5個關鍵設計參數，以施工最大雙懸臂狀態為研究對象，分析不同設計參數與主墩穩定系數的變化情況，研究不同設計參數對主墩施工穩定性的影響，為大跨雙薄壁實心墩設計與施工提供一定的參考與借鑒。

1工程簡介及原始模型建立

1.1工程簡介

本橋為廣西北部某山區一座橋跨布置為（100+180+100）m的大跨雙薄壁實心墩PC連續剛構橋，上部結構主梁為單箱單室箱梁，采用C50混凝土，懸臂現澆施工，其支點與跨中橫斷面如圖1所示。

下部結構采用本文所研究的雙薄壁實心墩，墩高30 m，橫橋向壁寬8 m，順橋向壁厚1.8 m，雙肢中心間距為7.8 m，墩身采用C40混凝土，基礎均采用樁基礎。

1.2最大雙懸臂原始模型建立

為對其施工階段穩定性進行參數影響分析，采用Midas Civil 2020軟件建立結構最大雙懸臂狀態有限元模型（如圖2所示），共劃分為110個梁單元、113個節點。

2不同強度混凝土對主墩施工穩定性的影響分析

大跨PC連續剛構橋主墩失穩一般都是其混凝土被壓碎所致。因此，下文選取主墩C25～C55七組混凝土強度等級，以施工最大雙懸臂狀態為研究對象，分析不同強度等級混凝土影響主墩施工穩定系數的變化情況。

經計算，不同強度等級混凝土的主墩施工穩定系數計算結果及分布如表1、圖3所示。

分析表1及圖3可知，雙薄壁實心墩最大雙懸臂施工狀態下其主墩穩定系數隨混凝土強度等級增大而增大，且基本呈線性變化，實際設計中，對于高墩，可適當采用較高強度等級的混凝土。

3不同墩高對主墩施工穩定性的影響分析

大跨雙薄壁實心墩剛構橋墩高一般為20～60 m，而墩高<20 m一般考慮采用墩頂設支座的連續梁結構，其主墩一般較矮，穩定問題并不突出。因此，下文分別選取20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、70 m的六組不同墩高，以施工最大雙懸臂狀態為研究對象，分析不同墩高對主墩穩定系數的影響。

經計算，不同墩高的主墩施工穩定系數計算結果及分布如表2及下頁圖4所示。

分析表2及圖4可知，雙薄壁實心墩最大雙懸臂施工狀態下其主墩穩定系數隨墩高增大而減小，且減小速率逐漸變緩，最后趨于穩定。當墩高>60 m，主墩穩定系數已<6，意味著主墩已逐漸趨于不穩定狀態。因此，采用雙薄壁實心墩剛構橋，從設計和施工安全角度出發，建議墩高控制在60 m以內，當墩高>60 m時，不宜再采用實心墩。

4不同壁厚對主墩施工穩定性的影響分析

雙肢薄壁實心墩壁厚是影響主墩穩定的重要設計參數，下文以單肢壁厚1.8 m為基礎，分別選取1.2 m、1.5 m、1.8 m、2.1 m、2.4 m五組不同壁厚尺寸，以施工最大雙懸臂狀態為研究對象，分析不同壁厚對主墩穩定系數的影響。

經計算，不同壁厚的主墩施工穩定系數計算結果及分布如表3、圖5所示。

分析表3及圖5可知，雙薄壁實心墩最大雙懸臂施工狀態下其主墩穩定系數隨壁厚增大而增大，且增大速率逐漸增大，可見雙薄壁實心墩施工穩定性受壁厚影響較大。

5不同橫梁個數對主墩施工穩定性的影響分析

對于雙薄壁實心高墩，為保證結構的穩定，當墩高較高時，一般在雙肢間設一定數量的橫梁，基于前文研究，下文以60 m墩高為例，選取橫梁個數0～5根六組數據，以施工最大雙懸臂狀態為研究對象，分析不同橫梁個數對主墩穩定系數的影響。

經計算，不同橫梁個數的60 m主墩施工穩定系數計算結果及分布如表4、圖6所示。

分析表4及圖6可知，在一定墩高范圍內，雙薄壁實心墩最大雙懸臂施工狀態下其主墩穩定系數隨橫梁個數增多而呈線性增大。對于墩高60 m的雙薄壁實心墩，當橫梁個數超過3個時，即其橫梁間距<20 m時，其穩定系數不再增大，可見增加一定數量橫梁可大大提高雙薄壁實心墩施工穩定性，但增大效果有限，從安全和經濟角度出發，建議橫梁間距控制在20～30 m。

6不對稱荷載對主墩施工穩定性的影響分析

對于大跨雙薄壁實心墩剛構橋，懸澆施工中常出現荷載不對稱的情況，如懸澆段不同步或掛籃脫落等，這些情況也是影響主墩施工穩定性的重要因素。

根據《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T 3650-2020），掛籃與懸澆段的質量比宜≤0.5。背景工程最大懸澆段（1 #段）重約2 650 kN，考慮其他一些不對稱荷載，本文的不對稱荷載影響分析最大值按1 600 kN控制，即分別選取0 kN、400 kN、800 kN、1 200 kN、1 600 kN五組不對稱荷載，以施工最大雙懸臂狀態為研究對象，荷載加載至懸臂根部，分析不同不對稱荷載對主墩穩定系數的影響。

經計算，不同不對稱荷載下主墩施工穩定系數計算結果及分布如表5、圖7所示。

分析表5及圖7可知，雙薄壁實心墩在受到不對稱荷載作用下，其穩定系數有所減小，但減小量相對較小，且隨著不對稱荷載的逐漸增大，主墩穩定系數減小甚微。可見，雙薄壁實心墩施工穩定性受不對稱荷載影響較小，其抗不對稱荷載失穩能力較強。

7結語

高墩穩定問題是大跨雙薄壁實心墩剛構橋施工中的關鍵問題，本文以背景工程施工最大雙懸臂狀態為研究對象，選取了混凝土強度等級、墩高、壁厚、橫梁個數、不對稱施工荷載5個關鍵設計參數，分別分析了不同設計參數對主墩施工穩定性的影響，得到以下幾點結論：

（1）雙薄壁實心墩施工穩定性與凝土強度等級呈正相關，基本呈線性關系。對于高墩，可適當采用較高強度等級的混凝土。

（2）雙薄壁實心墩施工穩定性與墩高呈反相關，從設計和施工安全角度出發，建議墩高控制在60 m以內。

（3）雙薄壁實心墩施工穩定性與壁厚呈強正相關關系，從安全和經濟角度出發，建議壁厚尺寸不宜過大。

（4）增設一定數量的橫梁可大大提高雙薄壁實心墩施工穩定性，但增大效果有限，從安全和經濟角度出發，建議橫梁間距控制在20～30 m。

（5）雙薄壁實心墩施工穩定性受不對稱荷載影響較小，其抗不對稱荷載失穩能力較強。

參考文獻：

[1] 晁鐵彥，沈藝寧，劉來君，等. 空心薄壁高墩連續剛構橋全過程穩定分析[J].科學技術與工程，2021（30）：13 123-13 130.

[2] 郭森，孟園英.基于特征值屈曲分析的高墩大跨連續剛構橋穩定性研究[J].城市道路與防洪，2021（8）：275-278.

[3] 杜晨光. 高墩大跨連續剛構橋穩定性與地震反應研究[D].武漢：湖北工業大學，2019.

[4] 王俏.大跨連續剛構橋高墩穩定性研究[D].長沙：長沙理工大學，2017.

[5] 鐘文健.考慮墩身結構的高墩大跨橋梁施工穩定性研究[J].交通世界，2021（26）：160-162.

[6] 楊龍，沈林麗，段永鳳，等. 高墩大跨剛構橋施工穩定性分析及控制[J].施工技術，2020 （49）：1 215-1 218.

[7] 王宗偉. 山區高墩大跨連續剛構橋施工階段非線性穩定研究[D].重慶：重慶交通大學，2019.

[8] 王凱華，劉志才.大跨高墩連續剛構橋墩型選擇及穩定性分析[J]. 結構工程，2019（252）：134-137.