設計參數變化對懸灌法施工連續梁橋墩穩定性的影響分析

2023-03-17 16:43:18葉羽升

西部交通科技 2023年11期

摘要：文章以某懸灌法施工連續梁橋超高墩穩定性為研究對象，通過采用Midas Civil有限元軟件建立橋墩數值模型，針對不同工況下橋墩結構的穩定性展開了分析，并對結構穩定性參數的影響規律進行了研究。結果表明：一階模態和二階模態對橋墩結構的穩定性起到了控制性作用，其橫向、縱向的穩定性分別由二階和一階模態控制；工況一～工況三作用下橋墩結構失穩的主要類型均為結構縱向穩定性，且臨界荷載系數滿足規范要求，處于穩定狀態；溫差增大時，一階、二階的臨界荷載系數均減小，溫差作用對結構的橫向穩定性影響較大，對結構的縱向穩定性影響相對較小；墩高增大時，一階和二階的臨界荷載系數均減小，墩高變化對結構的橫向穩定性影響較大，對結構的縱向穩定性影響相對較小；相比于溫差和墩高變化，縱向和橫向風荷載變化對結構穩定性的影響程度非常小，起不到決定性作用。

關鍵詞：連續梁橋墩；懸灌法；設計參數；穩定性；數值分析

0引言

連續梁橋懸灌法施工技術因具有技術完善、受峽谷及氣候環境等影響小，并且所需施工面小，機械可多次重復使用等優點，被廣泛地應用于橋梁修筑當中［1-2］。但在國內一些環境復雜惡劣的地區，連續梁橋懸灌法施工方法仍面臨著諸多挑戰，尤其對于超高墩，影響更大［3-4］。國內一些學者做了相關研究，張花［5］以某工程為研究對象，采用數值模擬的方法，分析了坡度、支座橫向間距和跨徑對橋梁穩定性的影響，結果表明，坡度增大會降低橋梁穩定性，增大支座橫向間距可以有效提高連續梁橋的整體穩定性，增大跨徑基本對橋梁的整體穩定性無影響。夏彬等［6］通過分析得出，設計人員要根據有限元軟件等多種技術詳細分析設計參數與橋梁穩定性影響，并根據設計方法進行調整，以實現結構的安全穩定。任超［7］以某連續剛構橋為研究對象，采用ANSYS軟件建立數值模型，分析了不同參數變化對高墩大跨連續剛構橋施工過程穩定性影響的規律及原因。田國偉［8］以某大橋主橋為研究對象，分析了參數變化對結構撓度的敏感性影響，并根據參數情況對理論計算進行調整，使結構的線形和內力更加符合橋梁穩定性要求。本文主要以某懸灌法施工連續梁橋超高墩穩定性為研究對象，采用Midas Civil軟件建立橋墩數值模型，針對不同工況下橋墩結構的穩定性展開了分析，并對結構穩定性的參數影響規律進行了研究，研究結果可為同類橋梁工程的設計提供參考。

1 工程概況

某山區擬建大橋梁體為箱梁，總長度為368 m，采用（64+122×2+64）m布置形式，箱梁的頂板寬度為8.4 m，箱梁的底板寬度為6.2 m，梁高為4.2～8.5 m，橋墩高度為94～116 m。本文以116 m橋墩的超高墩為例，重點研究了在最大懸臂狀態（懸臂長度為62 m）與合龍狀態下橋墩結構的穩定性。

2 數值建模

2.1 模型的建立

如圖1所示為采用Midas Civil軟件建立的橋墩模型，模型中橋梁跨度為126 m，兩端各取掉1 m，最終橋墩中心距離懸臂端為62 m，橋墩高度為116 m，整個“T”型結構一共劃分158個節點、155個單元。

由于箱梁與橋墩分別采用C55、C35強度等級的混凝土，因此在模擬計算過程中箱梁、墩身及鋼絞線等材料的參數取值如表1所示。

2.2 工況設置

本文共設置3種不同計算工況。

（1）工況一：結構自重+施工時掛籃荷載。

（2）工況二：工況一+溫差+縱向風荷載。

（3）工況三：工況一+溫差+橫向風荷載。

在計算過程中風荷載按照《公路橋梁抗風設計規范》（CJTG/T D60-01-2004）中相關規定進行計算，溫差取10℃；掛籃等其它材料自重取值如表2所示。

3 數值結果分析

3.1 不同工況下結構穩定性分析

工況一作用下結構一階、二階、三階和四階模態的臨界荷載系數和屈曲方向如表3所示。由表3可知，一階模態和二階模態是控制結構性穩定的主要模態，而且結構的橫向穩定性由二階模態控制，結構的縱向穩定性由一階模態控制（見圖2）。工況一作用下的一階模態最小，對應的結構失穩的主要類型為結構縱向穩定性，按照規范中縱向和橫向臨界荷載系數均要＞4.0的規定可知，該橋墩結構在工況一作用下的穩定性滿足規范要求。

如表4所示給出了工況二、工況三狀態下的臨界荷載系數和屈曲方向。由表4可知，結構的橫向穩定性由二階模態控制，結構的縱向穩定性由一階模態控制。工況二和工況三作用下均是一階模態最小，結構失穩的主要類型均為結構縱向穩定性，同時工況二、工況三作用下的臨界荷載系數均符合現行規范標準，即表明橋墩結構處于穩定狀態。

此外，將工況一～工況三的臨界荷載系數進行對比分析可知，3種工況下，工況二的結構縱向穩定性最差，工況三的結構橫向穩定性最差。但無論施加縱向風荷載或者橫向風荷載，其穩定性均主要由結構的縱向穩定性控制。

3.2 參數敏感性分析

臨界荷載系數是反映結構穩定性最直接的參數，本節主要通過研究改變溫差、墩高、橫向荷載和豎向荷載變化對臨界荷載系數的影響來反映相關參數的敏感性。

超高墩連續梁橋因墩身高度大、剛度小，非常易受溫差作用影響。如圖3所示，為結構臨界荷載系數隨溫差變化曲線，取溫差分別為5°、10°、15°、20°和25°進行研究分析。由圖3可知，隨著溫差的增大，一階和二階的臨界荷載系數均減小，相比于溫差為5°時，溫差分別為10°、15°、20°和25°時一階臨界荷載系數依次分別減少了6.8%、12.4%、16.1%和19.9%，對應二階臨界荷載系數依次分別減少了6.7%、11.9%、21.6%和28.4%，即隨著溫差的增大，一階臨界荷載系數減小幅度較小，二階臨界荷載系數減小幅度較大。由此可知，溫差作用對結構的橫向穩定性影響較大，對結構的縱向穩定性影響相對較小。因此，在溫差較大的地區進行高墩連續梁橋結構設計時，要充分考慮晝夜溫差對結構的橫向穩定性影響，以免溫差作用對結構穩定性產生的不良影響。

隨著墩身設計高度的增大，墩身截面積逐漸增大，且墩身高度一直是影響連續梁橋穩定性重要的因素。如下頁圖4所示，為結構臨界荷載系數隨墩高變化曲線，取墩高分別為55 m、85 m、115 m、145 m和175 m進行研究分析。由圖4可知，隨著墩高的增大，一階和二階的臨界荷載系數均減小，相比于墩高為55m時，墩高分別為85 m、115 m、145 m和175 m時，一階臨界荷載系數依次分別減少了13.6%、29.3%、62.1%和76.3%，對應二階臨界荷載系數依次分別減少了17.2%、37.3%、61.5%和76.7%，即隨著墩高的增大，一階臨界荷載系數減小幅度較小，二階臨界荷載系數減少幅度較大。由此可知，墩高變化對結構的橫向穩定性影響較大，對結構的縱向穩定性影響相對較小。

由前節工況二和工況三可知，風荷載會對結構的穩定性產生一定影響，為了分析風荷載變化對結構的穩定性變化規律，下面主要通過增大風荷載的倍數來分析探討。

如圖5所示，為結構臨界荷載系數隨橫向風荷載變化曲線，取原始橫向風荷載和橫向風荷載分別增大0.5倍、1倍、1.5倍和2倍進行研究分析。由圖5可知，隨著橫向風荷載的增大，一階和二階的臨界荷載系數基本保持不變，相比于原始橫向風荷載，橫向風荷載分別增大0.5倍、1倍、1.5倍和2倍時一階臨界荷載系數依次分別減小了0.7%、1.4%、2.1%和2.7%，對應二階臨界荷載系數依次分別減少了0.6%、1.3%、2.2%和3.4%，即隨著橫向風荷載的增大，一階、二階臨界荷載系數均略微減少，橫向風荷載對橫向穩定性的影響略大于對縱向穩定性的影響。

如圖6所示，為結構臨界荷載系數隨縱向風荷載變化曲線，取原始縱向風荷載和縱向風荷載分別增大0.5倍、1倍、1.5倍和2倍進行研究分析。由圖6可知，隨著縱向風荷載的增大，一階和二階的臨界荷載系數基本保持不變，相比于原始縱向風荷載，縱向風荷載分別增大0.5倍、1倍、1.5倍和2倍時一階臨界荷載系數依次分別減小了1.4%、3.5%、5.7%和8.5%，對應二階臨界荷載系數依次分別減小了0.6%、2.0%、2.9%和4.1%，即隨著縱向風荷載的增大，一階、二階臨界荷載系數均略微減小，縱向風荷載對縱向穩定性的影響略大于對橫向穩定性的影響。

通過將風荷載變化與溫差、墩高變化進行對比可知，相比于溫差和墩高變化，縱向和橫向風荷載變化對結構穩定性的影響程度都非常小，起不到決定性作用。

4 結語

本文主要以某懸灌法施工連續梁橋超高墩穩定性為研究對象，通過采用Midas Civil軟件建立橋墩數值模型，針對不同工況下橋墩結構的穩定性展開了分析，并對結構穩定性的參數影響規律進行了研究，得到以下結論：

（1）一階模態和二階模態對橋墩結構的穩定性起到了控制性作用，其中結構的橫向穩定性主要由二階模態控制，結構的縱向穩定性則由一階模態控制。工況一～工況三作用下橋墩結構失穩的主要類型均為結構縱向穩定性，且臨界荷載系數滿足規范要求，處于穩定狀態。

（2）隨著溫差的增大，一階、二階的臨界荷載系數均減小，溫差作用對結構的橫向穩定性影響較大，對結構的縱向穩定性影響相對較小。

（3）隨著墩高的增大，一階和二階的臨界荷載系數均減少，墩高變化對結構的橫向穩定性影響較大，對結構的縱向穩定性影響相對較小。

（4）相比于溫差和墩高變化，縱向和橫向風荷載變化對結構穩定性的影響程度非常小，起不到決定性作用。

參考文獻：

［1］李雪強.用機制砂和摻合料雙摻配制C55混凝土百米高程泵送懸灌梁施工技術［J］.施工技術，2020，49（S1）：1 402-1 404.

［2］黃勤勞.高墩大跨徑連續剛構橋懸灌法施工關鍵技術［J］.鐵道建筑技術，2020（10）：110-112，130.

［3］閔帥.巫鎮高速公路橋梁預應力混凝土連續剛構懸灌施工技術［J］.工程技術研究，2022，7（2）：76-77.

［4］李揚奇.橋梁工程中大跨度箱形連續梁菱形掛籃懸灌施工技術［J］.低碳世界，2021，11（4）：244-245.