深水大跨度剛構連續梁橋穩定性參數敏感度研究

袁步德

京昆高速鐵路西昆有限公司，重慶 400020

隨著社會經濟和工程技術不斷發展，越來越多的新建高速鐵路（公路）橋梁需要跨越海洋、江河、大型水庫等深水區域。大跨度預應力鋼筋混凝土剛構連續梁橋以其簡潔的造型、良好的跨越能力、較低的造價、較少的后期維護費用等優點，成為現代深水大跨橋梁建設中的主要橋型之一［1］。

圍繞高墩大跨連續剛構類橋梁的結構穩定性問題，相關學者和工程技術人員進行了大量研究。文獻［2-5］探討了施工荷載、風荷載、溫度荷載、幾何非線性、材料非線性等因素對連續剛構（或連續梁）橋空心薄壁高墩穩定性的影響效應；文獻［6-7］分析了在汽車荷載、制動力、日照溫差、縱向風力等荷載作用下箱形空心墩的整體和局部穩定性；文獻［8］研究了在現行鐵路橋規的荷載組合作用下空心墩的局部穩定性；文獻［9-12］分析了懸臂施工中施工工況和施工荷載對連續剛構橋高墩穩定性的影響；文獻［13-14］討論了連續剛構橋高墩穩定性對結構初始缺陷的敏感性；文獻［15］研究了在施工及運營階段線路曲率對高墩曲線剛構橋穩定性的影響；文獻［16］探討了雙重非線性、初始缺陷、橋墩幾何設計參數、基礎剛度等對連續剛構橋穩定性的影響效應。這些研究取得了一系列有益成果，但鮮有考慮橋梁結構深水穩定性的研究。此外，綜合這些研究成果可以發現，這類橋梁的整體或局部穩定性問題是其設計和施工中不可回避的關鍵問題之一。影響這類橋梁穩定性的因素除了結構自身的構造和剛度外，還與結構所承受的外荷載形式、荷載大小、結構非線性、初始缺陷、氣候環境、水文地質條件、施工方法等多種因素有關。由于影響因素繁多，再加上這些影響因素之間的相互耦合作用，使得這類橋梁的穩定性問題至今尚未得到很好解決。

對于深水中的大跨度剛構連續梁類橋梁，隨著水流深度及流速增加，深水效應對這類橋梁力學行為的影響將越來越突出。本文以某深水大跨度預應力鋼筋混凝土剛構連續梁橋為背景，基于流固耦合理論，探討深水效應對這類橋梁穩定性的影響。

1 工程背景

一座高速鐵路預應力混凝土剛構連續梁雙線特大橋（圖1）全長593.5 m，跨徑組合為（64 + 4 × 116 +64）m，位于直線上，與水流方向正交。常水位下深水區水深約50 m。采用懸臂澆筑法施工。

圖1 高速鐵路預應力混凝土剛構連續梁雙線特大橋立面（單位：m）

主梁為單箱單室直腹板、變高度、變截面箱梁。頂板厚43.0～63.5 cm，腹板厚43～90 cm，底板厚43～90 cm。其中，腹板和頂板厚度按線性、局部向內側加厚的方式變化；底板厚度按二次拋物線變化。箱梁頂板寬12.6 m，底板寬6.7 m。中支點截面中心處梁高8.5 m，跨中10 m 直線段及邊跨11.75 m 直線段截面中心處梁高4.8 m。梁體混凝土強度為C55，縱向預應力筋采用15φ15.2鋼絞線。

大橋采用圓端型和雙肢薄壁型橋墩。其中，3#—5#墩為雙肢薄壁型橋墩，位于深水區。深水區樁基承臺距河床10 m，樁徑為2 m。墩身最高的4#墩立面及基礎構造見圖2。其中，墩身頂端4 m范圍內混凝土強度等級為C55，墩身其余部分及樁基的混凝土等級為C40。

圖2 4#墩立面及基礎構造（單位：m）

2 結構穩定性參數分析

大跨度預應力鋼筋混凝土剛構連續梁橋一般采用懸臂澆筑法施工。相對于成橋狀態和其他施工工況，當懸臂施工至最大雙懸臂狀態時，結構的穩定性最差［2-3］。因此，從實際應用考慮，本文以4#橋墩的最大雙懸臂T 形剛構作為研究對象（以下簡稱為最不利T構）。

本文采用相對穩定指數作為分析各因素對結構穩定性影響效應的量化參數。相對穩定指數是指結構的第一類穩定系數與同項研究中所對應的結構最大穩定系數之比。

2.1 仿真分析基本模型

從流固耦合的角度，著重分析水流速度、流域水深以及樁基承臺的相對標高等因素對最不利T構穩定性的影響效應。

借助于大型通用軟件ANSYS Workbench 進行建模分析。流固耦合分析需要占用大量的計算機資源，基于在滿足研究精度的前提下盡量減小計算機資源占用的原則，外部流域數字模型的平面尺寸按不小于水中構件同向尺寸5倍的大小取值［17］，分別為：順流方向長度為150 m，橫流方向寬度為90 m。外部流域高度按計算時采用的水深取值。外部流域和最不利T構的數值分析基本模型見圖3。

圖3 外部流域和最不利T構的數值分析基本模型

考慮到橋墩的實際變形較小，其變形對流體的擾動不大。因此，本文采用單向流固耦合模式進行數值仿真分析。其中，水流的物理模型采用標準k?epsilon（2 eqn）湍流模型。

2.2 流速與結構穩定性

流速是影響水流對結構沖擊力的主要因素之一。為便于分析水流速度對最不利T 構穩定性的影響效應，以基本模型為基礎，通過改變外部流域的入口流速來模擬橋位上游水流速度的變化，進而計算出不同流速下最不利T 構的相對穩定指數。計算中，水流方向按與橋面正交考慮（橫橋向）；入口流速取1～6 m/s。計算荷載還包括掛籃、施工機具以及施工人員的重量等。

計算時樁基附近流速矢量圖見圖4。不同入口流速下水流對橋墩的作用力見圖5。最不利T 構的相對穩定指數與入口流速之間的關系見圖6。

圖4 樁基附近流速矢量圖（V=2 m·s-1）

圖5 不同入口流速下水流對橋墩的作用力

圖6 最不利T構的相對穩定指數與入口流速之間的關系

由圖4—圖6可見：①橋墩附近水流的流速變化明顯。設計和施工中深水大跨度剛構連續梁橋的深水湍流效應不應忽略。②水流對最不利T構產生的橫向作用力隨流速增加而迅速增大，呈非線性關系，且以沿水流方向的作用力為主。③結構的相對穩定指數隨流速增加呈指數曲線下降。當入口流速從1 m/s 增加至6 m/s 時，相對穩定指數下降了20.5%。可見，深水大跨度剛構連續梁橋的穩定性對水流速度是敏感的。施工中須給予重視。

2.3 水深與結構穩定性

流域水深也是影響流固耦合效應的主要因素。為便于考察水深對橋梁結構穩定性的影響效應，通過改變基本模型中外部流域的高度來模擬流水深度的變化。外部流域高度取10～50 m［18］，入口流速為5 m/s，水流方向按橫橋向考慮，結構參數及施工荷載與背景工程相同。

最不利T構的相對穩定指數與流域水深之間的關系見圖7。將圖中曲線最高點所對應的流域深度稱為臨界水深。

圖7 最不利T構的相對穩定指數與流域水深之間的關系

由圖7可見：

①當流域水深小于臨界水深時，最不利T 構的相對穩定指數隨水深增加而增大，該狀態下水深對剛構連續梁橋的穩定性有利。

②當水深大于臨界水深后，最不利T 構的相對穩定指數隨水深增加而迅速降低；當水深超過臨界水深后，增大流域深度對深水大跨度剛構連續梁橋的穩定性不利。

③水深與最不利T 構的相對穩定指數間呈4 次函數曲線關系。當水深在10～50 m 時，結構的相對穩定指數的最大升幅為1.87%，最大降幅為1.61%。可見，深水大跨度剛構連續梁橋的穩定性對水深是不敏感的。

2.4 承臺相對標高與結構穩定性

承臺相對標高是指樁基承臺相對于河床的高度。由于樁、承臺以及墩身的幾何形狀及大小不同，使其與流體之間的流固耦合效應各不相同。再加上承臺相對標高的不同造成的結構本身在幾何構造上的差異，使得承臺相對標高成為影響水流與最不利T 構之間流固耦合效應的主要因素之一。

為便于考察承臺相對標高對最不利T構穩定性的影響效應，在本項數值仿真計算中，改變最不利T構中承臺的豎向位置而保持深水大跨度剛構連續梁橋的梁底與河床之間的高度不變。

仿真分析采用的基本計算參數如下：承臺相對標高取10～50 m，入口流速為5 m/s，水流方向按橫橋向考慮。其余計算參數與基本模型相同。

依據仿真計算結果，采用數值擬合方法可以求得承臺不同相對標高與最不利T構的相對穩定指數之間的關系曲線，見圖8。圖中曲線最高點所對應的承臺相對標高稱為承臺臨界標高。

圖8 承臺相對標高與相對穩定指數的關系

由圖8 可見：①當承臺相對標高小于其臨界標高時，最不利T 構的相對穩定指數隨承臺相對標高增加而增大，增加承臺相對標高對剛構連續梁橋的穩定性有利；②當承臺相對標高大于其臨界標高后，最不利T構的穩定指數隨承臺相對標高的增加而降低，繼續增加承臺相對標高對剛構連續梁橋的穩定性不利；③承臺相對標高與最不利T 構的穩定指數呈Gauss 曲線關系；④當承臺相對標高在10～50 m 變化時，最不利T構的相對穩定指數的最大升幅、最大降幅分別為39%、74%。可見，深水大跨度剛構連續梁橋的穩定性對承臺相對標高是敏感的。

3 結論

為探討深水流域對剛構連續梁橋穩定性的影響，本文利用流固耦合理論，建立橋墩最大雙懸臂T 形剛構的數值仿真模型，系統地分析了水流速度、水深、樁基承臺的相對標高等參數對深水大跨度剛構連續梁橋穩定性的影響效應。主要結論如下：

1）深水流域對深水大跨度剛構連續梁橋的沖擊力隨流速增加而迅速增大，流速與沖擊力間呈非線性關系。

2）深水大跨度剛構連續梁橋最不利T構的相對穩定指數隨流度增加而降低，二者間呈指數曲線關系。深水大跨度剛構連續梁橋的穩定性對流速敏感。

3）以臨界水深為界，當流深小于臨界水深時，流域水深的增加對深水大跨度剛構連續梁橋的穩定性有利；當流域水深超出其臨界水深后，流域水深的增加對深水大跨度剛構連續梁橋的穩定性不利。

4）流域水深與深水大跨度剛構連續梁橋最不利T構的相對穩定指數之間呈4次函數曲線關系。深水大跨度剛構連續梁橋的穩定性對流域水深不敏感。

5）以承臺的臨界標高為界，當承臺相對標高小于其臨界標高時，增加承臺相對標高對深水大跨度剛構連續梁橋的穩定性有利；當承臺相對標高大于其臨界高度后，增加承臺相對標高對深水大跨度剛構連續梁橋的穩定性不利。

6）承臺相對標高與深水大跨度剛構連續梁橋最不利T 構的相對穩定指數呈Gauss 曲線關系。深水大跨度剛構連續梁橋的穩定性對其樁基承臺相對標高敏感。