山區高墩大跨T構橋施工穩定性分析

摘要：文章以某山區高速公路墩高為170 m、跨度為125 m的T構橋為研究對象，基于Midas Civil有限元軟件，計算分析了該橋裸墩和最大懸臂施工階段穩定性。結果表明：最大懸臂狀態穩定性最差，雙肢薄壁-箱型組合墩分叉點位置對最大懸臂狀態穩定性的影響較大，建議結合橋型與橋位特點合理擬定主墩尺寸。

關鍵詞：高墩大跨T構橋；施工過程；穩定性分析；最大懸臂狀態

中圖分類號：U448.23+1 A 35 118 3

0 引言

山區大跨橋梁常見結構形式有連續剛構橋、T構橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋等。一般而言，若主跨＞250 m，結合橋位地形地質情況，大多選擇拱橋、斜拉橋和懸索橋。根據橋高情況，連續剛構橋主跨大多為100～250 m。近年來，結合交通運輸部公路長大橋梁結構健康監測系統建設要求及特大跨徑剛構橋病害經驗總結，新建連續剛構橋主跨大多≤160 m，以節約投資和降低結構安全風險。T構橋在受力上與連續剛構橋基本相同，跨度介于常規裝配式橋梁與連續剛構橋之間，是連接常規裝配式橋梁、常規裝配式橋梁與路基、路基與路基的重要結構物。T構橋橋墩一般較高，墩高往往大于跨度，因此橋墩設計也是該類橋型的關鍵。也正是由于墩高較高，裸墩和最大懸臂狀態可能帶來穩定性問題，對該類橋型進行施工階段穩定性分析至關重要。

相關學者對T構橋結構受力與施工過程進行了研究。孫九春等［1］基于最大容許控制法和自適應控制法分析了大跨連續梁橋單T構懸臂拼裝施工力學狀態；瞿景東［2］分析了風致動力效應及其參數變化對T構橋施工過程的影響；潘久貴等［3］基于Ansys有限元軟件分析了龍橋東江大橋T構拆除過程中結構力學變化；米皓潔等［4］總結了山區橋梁設計經驗并重點分析了高墩大跨T構橋結構設計及橋型特點；馬淑芬［5］對T構橋轉體施工影響參數及其敏感性進行了分析。上述文獻對高墩大跨T構橋的分析大多基于施工控制的思路而開展，對施工過程穩定性的分析較少。本文結合具體工程案例，對T構橋施工過程穩定性進行分析，為類似橋型的設計與計算提供相關參考。

1 研究對象

某高速公路采用雙向六車道設計，地震加速度為0.05 g，上部結構主橋采用125 mT構，引橋小樁號側采用兩聯3×40 mT梁，橋臺采用重力式橋臺，大樁號側采用一聯2×30 mT梁，橋臺采用柱式臺。T構主墩采用雙肢薄壁-箱型組合墩，墩高為170 m，小樁號側交界墩采用空心薄壁墩，墩高為130 m，大樁號側交界段采用雙柱式矩形實體墩，墩高為9.3 m。主橋T構采用單箱單室現澆預應力箱梁，單幅箱梁總寬為16 m，箱梁懸臂長度為4 m，箱梁底寬為8 m，主墩墩頂梁高為13.5 m，交界段處直線段梁高為4.2 m。主橋采用掛籃施工，最大懸臂節段為31#混凝土，梁底曲線按1.8次拋物線變化，主跨跨中處設置中橫隔板。主墩及箱梁均采用C50混凝土。主橋橋型布置圖如圖1所示。

該橋主墩較高，橋墩是結構設計的重點。結合目前連續剛構及T構橋設計經驗，當橋高較大時采用雙肢薄壁-箱型組合墩結構，整體受力較好，抗推剛度介于雙肢薄壁墩和空心薄壁墩之間。主墩幾何尺寸如圖2所示。

2 穩定性分析原理

橋梁穩定性分析一般指彈性穩定下的特征值屈曲分析。特征值分析中，以節點位移向量{U}為變量，在結構彈性剛度矩陣［KE］、幾何剛度矩陣［KG］與節點荷載向量{P}之間的勢能駐值原理平衡方程式（1）的基礎上，令勢能二階變分為0，可得：

（［KE］+［KG］）{U}={P}（1）

（［KE］+［KG］）{δU}=0（2）

如式（2）成立，則必有剛度矩陣系數為0，即：

|［KE］+［KG］|=0（3）

式中：［KE］——已知量，因此外荷載即為屈曲荷載；

［KG］——未知量。

山區高墩大跨T構橋施工穩定性分析/劉唐艷

為得到屈曲荷載，令外荷載為{P0}，對應幾何剛度矩陣為［K0G］，假定結構發生屈曲失穩時外荷載為λ{P0}，則有［KG］=λ［K0G］成立，此時式（3）可轉化為：

|［KE］+λ［K0G］|=0（4）

結合荷載向量，式（4）可進一步轉化為特征值方程形式，即：

（［KE］+λi［KG］）{i}=0（5）

式（5）為彈性穩定性分析的核心，通過該式可以求解得到第i階振型下的特征值λi和對應的特征向量{i}。第i階振型下的屈曲荷載為λi{P0}，采用有限元軟件通過特征值分析可以得到λi和{i}，進而確定屈曲模態。

3 有限元模型

對T構橋而言，施工過程是穩定性分析的重點。當主墩施工完成后，考慮結構自重和風荷載影響，對該狀態進行穩定性分析可直觀判斷主墩設計的合理性。另外，當主梁掛籃施工達到最大懸臂節段時，結構自重和風荷載也是穩定性分析的關鍵。本文基于Midas Civil有限元軟件，分別建立了裸墩狀態和最大懸臂狀態下穩定性分析有限元模型，如圖3所示。

4 施工階段穩定性分析

4.1 裸墩狀態

裸墩狀態下，雙肢薄壁-箱型組合墩縱橋向剛度小于橫橋向剛度，橋位處基準風速取25 m/s，風荷載38 kN/m施加于橋墩縱橋向一側［6］，C50材料容重取26 kN/m3，取自重和縱橋向風荷載標準組合，得到前4階失穩模態如圖4所示。

由圖4可知，裸墩狀態下前2階和第4階屈曲模態為雙肢薄壁墩縱橋向彎曲變形，第3階屈曲模態為橫橋向彎曲變形。雙肢薄壁處的穩定性是主墩屈曲模態主要組成部分，前4階穩定安全系數分別為22.5、28.6、33.0和83.7，穩定性富裕度較大，不存在失穩問題。

4.2 最大懸臂狀態

本次研究的T構橋跨度較大，最大懸臂狀態是穩定性分析的關鍵。根據橋梁施工順序，在裸墩狀態穩定性滿足要求的前提下，對T構橋最大懸臂進行分析，最大懸臂長度為116.75 m，風荷載與裸墩狀態一致。經Midas Civil有限元軟件計算分析，得到前4階失穩模態如圖5所示。

計算結果表明：

（1）最大懸臂狀態下，前4階穩定安全系數分別為8.8、9.1、45.1和51.8，主要失穩形式為縱橋向彎曲失穩形式，穩定安全系數＞4，具有一定的安全儲備。同裸墩狀態相比，最大懸臂狀態穩定安全系數縮減2.6倍，對T構橋進行驗算分析時應加強最大懸臂狀態穩定性驗算。

（2）第1階、第3階屈曲模態分別為縱橋向彎曲變形和扭轉變形，第2階、第4階屈曲模態為橫橋向彎曲變形，其中前2階穩定安全系數數值接近，進一步表明雙肢薄壁-箱型組合墩縱橋向和橫橋向穩定性能相當，在施工過程中應同時注意縱橫向橋梁的穩定性。

4.3 主墩分叉點影響

通過施工過程穩定性分析表明，主墩對結構穩定性影響較大，而雙肢薄壁-箱型組合墩較為關鍵的影響因素為分叉點位置。此處在研究對象雙肢薄壁墩高度h=80 m基礎上，分別分析了最大懸臂狀態下雙肢薄壁墩高度為20 m、40 m、60 m、100 m、120 m和140 m時前2階穩定屈曲模態，得到了相應的穩定安全系數（如圖6所示）。

計算結果表明：

（1）最大懸臂狀態下，T構穩定安全系數隨雙肢薄壁墩高度的變化而變化，當雙肢薄壁墩高度從20 m增加到140 m時，第1階穩定安全系數先緩慢增大，然后迅速減小，第2階穩定安全系數逐漸減小。

（2）當雙肢薄壁墩高度＜80 m時，第1階失穩模態為橫橋向彎曲變形，第2階失穩模態為縱橋向彎曲變形，當雙肢薄壁墩高度＞80 m時，模態特征正好相反，且隨著高度的增加，穩定安全系數下降較快。

5 結語

本文基于Midas Civil有限元軟件，分析了某山區高速公路125 mT構橋施工階段的穩定性，得出主要結論如下：

（1）施工階段穩定性受最大懸臂狀態控制，穩定安全系數明顯小于裸墩狀態，因此對最大懸臂狀態進行穩定性分析至關重要。

（2）雙肢薄壁-箱型組合墩隨雙肢薄壁墩高度的增大，最大懸臂狀態T構橋屈曲失穩方向將發生改變，對于此類型橋墩而言，在主墩尺寸參數選擇合理的基礎上，建議將雙肢薄壁墩高度控制為＜80 m，以確保施工階段具有較好的穩定性。

參考文獻

［1］孫九春，薛武強，曹 虹.大跨連續梁橋單T構懸臂拼裝施工力學狀態控制技術［J］.橋梁建設，2022，52（4）：125-132.

［2］瞿景東.風致動力效應對T構橋梁轉體施工的影響研究［D］.重慶：重慶交通大學，2018.

［3］潘久貴，顏全勝，鄧洪鈞.龍橋東江大橋T構拆除施工技術［J］.科技通報，2021，37（10）：71-77.

［4］米皓潔，徐明遠.淺談山區高速公路橋梁設計［J］.黑龍江交通科技，2011，34（10）：208-209.

［5］馬淑芬.大跨度轉體施工T構橋參數敏感性分析［D］.武漢：武漢理工大學，2014.

［6］JTG/T 3360-01-2018，公路橋梁抗風設計規范［S］.

收稿日期：2023-01-20