大跨徑連續剛構橋懸臂澆筑施工穩定性分析

摘要 基于具體剛構橋建設案例，文章深入探討高墩連續剛構橋在不同施工環境下的結構穩定性，首先分析了橋梁在懸臂澆筑階段主梁的穩定性，研究表明盡管風載荷對結構的影響較小且可忽略不計，但梁體質量的變異性及掛籃墜落對橋梁穩定性的沖擊效應顯著。因此，在施工階段，必須采取適當的措施保障大跨徑連續剛構橋的質量水平和安全性。其次，文章分析了橋梁竣工后整體結構的穩定性，特別關注非線性穩定性的表現，研究表明橋梁的非線性穩定性主要受幾何非線性和材料非線性效應的共同影響。上述發現不僅為理論分析提供了新的視角，也為類似工程的設計和施工提供了重要的實踐指導。

關鍵詞 大跨徑連續剛構橋；懸臂澆筑；施工穩定性；非線性穩定性

中圖分類號 U448 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）20-0125-03

0 引言

目前，我國關于高墩連續剛構橋的性能評估與實測數據相對匱乏，這類橋梁涉及的安全考慮因素較多，導致設計和建設過程中面臨諸多挑戰，主要問題包括溫度波動對結構穩定性的影響、非線性變量的作用，以及橋梁抗風能力等工程難題。在橋梁設計規劃階段，特別需要關注最大懸臂部分可能引發的安全缺陷及其潛在的負面影響。國內多位專家已開始研究高墩連續剛構橋的施工特性，通過建立變截面墩柱的數學模型，揭示了評估穩定性時的關鍵問題，并提出了相應的數學公式。此外，針對薄壁橋墩，一些學者也探討了其受力過程中彎曲應變能的動態變化規律。然而，工程設計和施工人員對這種結構體系的理解仍存在一定的局限性，這些局限性使得設計和施工階段難以完全解決復雜的工程問題。因此，有必要進一步深化理論研究并結合實際案例進行應用，以增強對高墩連續剛構橋性能的全面認識和有效評估。這不僅可以提升橋梁結構的安全性和穩定性，還能為未來類似工程的設計與實施提供有力的技術支持和經驗積累[1-2]。

1 大跨連續剛構橋的線性穩定性設計與評估

1.1 橋梁概況

該文所探討的工程項目坐落于兩地區接壤處的高速公路，路線穿行于峻峭山脈與溪谷間，共設5座短隧道與10座橋梁跨越山谷與河流，橋隧占比高達68%，工程內容涵蓋橋梁建設、隧道開鑿和路基鋪設等多方面。由于沿線地形崎嶇且山高坡陡，導致施工場地受限，修建便道難度驟增，引發臨建設施搭建與現場施工組織等諸多挑戰。沿線橋梁種類包括40 m的小型箱梁橋、50 m的T形梁橋、（70+130×2+70） m的連續剛構橋和45 m的現澆預應力連續梁橋等，基礎部分包含水陸兩類。其中包括84座超過50 m的高墩，最高主墩可達67 m。該公路車輛行駛速度為120 km/h，并按照二級載重標準設計。特大橋梁和其他橋梁的抵御洪水風險頻率分別為35年和12年一遇。

1.2 有限元建模

該文采用Midas Civil有限元分析軟件建立案例大跨連續剛構橋的三維實體模型，主要包括建立橋墩與主跨構件，對橋梁不同節點施加載荷并設定約束條件。在建立主梁與橋墩模型時，通過梁單元法進行仿真，對橋梁懸挑施工部分加以細化。在建立橋梁模型并設定參數時，由于鋼筋所承受載荷僅占整體載荷的較小部分，故可忽略鋼筋質量的影響。混凝土密度為25 kN/m3，縱向鋼筋拉伸時應力極限為1 400 MPa?？紤]施工時承載情況，掛籃與行人載荷為860 kN。對于基礎設施、砂漿墊層和混凝土基底等二期恒載，其單位長度載荷估算為122 kN/m。在橋梁建造過程中，假設梁體經歷幅度為26℃的均勻升溫與降溫的變化過程，以評估溫度變化對橋梁的影響[3]。

按照設計規范要求，進行橋梁模擬分析時，風荷載的量化評估應依據式（1）進行計算施加：

W=P1P2P3W0 （1）

式中：W0——基本風荷載標準強度值（Pa），取值為510 Pa；P1——風荷載橋梁構件形態參數，縱橋向和橫橋向分別取值為1.5和1.3；P2——風荷載強度沿橋梁高度的變化參數，取值為1.44；P3——橋址場地條件參數，其取值范圍為1.17～1.32[4]。

由式（1）可知，在評估橋梁所受風載影30af5dc1237b63ce67e9914cbdf18a36響時，主要考慮縱橋向和橫橋向兩個方向的風載荷。橫橋向風載荷最小值為Wmin=1 143.1 Pa，最大值為Wmax=1 292.2 Pa。縱橋向風載荷最小值為Wmin=979.8 Pa，最大值為Wmax=1 107.6 Pa。于是，橫橋向和縱橋向的風載荷取值范圍分別為1 143.1～1 292.2 Pa和979.8～1 107.6 Pa。墩柱底部設為固定連接，而主墩與零號塊對應節點則采用剛性連接方式。依據上述流程進行建模和參數設定，大跨高墩連續剛構橋有限元模型如圖1所示：

2 大跨高墩連續剛構橋的線性穩定性評估

2.1 大跨高墩連續剛構橋的全橋穩定性

在建立剛構橋三維模型時，應仔細考慮橋梁剛度、質量和邊界條件，確保模型能夠準確反映實際橋梁的物理特性。橋梁的下部支撐系統采用輕型壁式墩柱設計，其中最高的墩柱達到75 m（以15號墩為代表），該墩柱是下部結構中受力最大且最復雜的構件，建模時將其劃分為25個梁單元和26個節點，并對各節點和梁區段施加相應載荷。橋梁墩柱構件的成橋外載荷主要包括：（1）自身重量；（2）縱向風力作用；（3）橫向風力作用等3個方面。該文在綜合考量實際情境的情況下對荷載進行全面評估，并針對3種不同狀況進行穩定性模擬實驗，分別為狀況1為（1），狀況2為（1）+（2），狀況3為（1）+（3）。

對高墩剛構橋在各種狀況下的穩定性進行模擬計算，在狀況1下的前四階模態對應的穩定特征值分別為108.792、121.287、688.725和691.752，在狀況2下的前四階模態對應的穩定特征值分別為109.003、121.584、688.602和691.878，在狀況3下的前四階模態對應的穩定特征值分別為106.211、121.516、688.069和691.353。

通過分析橋梁高墩模型，在載荷（1）作用下的橋梁特征值約為120，可見該剛構橋剛度較大。通過對比3種不同狀況，橫橋向和縱橋向的風載荷對全橋穩定性的影響均可忽略不計，但橫橋向和縱橋向風載荷對全橋的影響效果存在差異。對不同振型下的高墩失穩圖分析表明，該橋梁的高墩穩定性符合預期標準。

2.2 最大懸臂施工階段的全橋穩定性

該節主要對1號至15號預制構件及最頂端墩柱（即15號墩）進行力學分析。在建模過程中，依據施工中各梁段實際長度進行單元劃分與節點設定，從而建立包含56個單元和64個節點的橋梁模型。底層墩柱與地基間，以及墩頂與各預制構件間均實現剛性連接。最后，對每個節點和單元分別施加相應外載荷。

結構所面臨載荷主要包括：（1）橋梁自身重量；（2）施工階段引入的載荷；（3）施工期間可能出現的尺寸誤差及梁體質量的動態變化；（4）單側掛籃可能發生的墜落情況，預設沖擊系數為1.8；（5）沿橋梁縱向風力作用；（6）沿橋梁橫向風力作用?；趯嶋H工程條件，對這6類載荷及與沖擊系數的組合進行分析，針對7種不同服役狀況進行穩定性模擬評估。狀況1為（1）+（2），狀況2為（1）+（2）+（3），狀況3為（1）+（2）+（3）+（4），狀況4為（1）+（2）+（3）+（5），狀況5為（1）+（2）+（3）+（6），狀況6為（1）+（2）+（3）+（4）+（5），狀況7為（1）+（2）+（3）+（4）+（6）。

通過模擬和分析上述各種狀況，得到表1所示結果：

通過分析表1，在狀況7中，橋梁1階振型特征值為45.237，該數值在7種狀況中最小，故狀況7為特定條件下的最不利荷載狀態。經數值模擬發現，第2種狀況的特征值約為第1種的80.19%。在最大懸臂平衡狀態下，載荷對穩定性的影響更為明顯。此外，第3種狀況的特征值約為第2種的91.29%，可見掛籃掉落會對橋梁穩定性造成顯著影響，風載荷對橋梁影響相對較弱。在最大懸臂段施工階段，應確保其特征參數符合穩定性標準。

2.3 大跨高墩連續剛構橋成橋狀態的穩定性

在進行全橋分析時，單元長度的選取及節點的確定對應于施工段的實際長度，將橋梁結構細分為135個單元和162個節點，墩頂與現澆梁段和高墩基礎與地基均采用各向剛性連接，并對各節點與單元施加外荷載。

根據實際施工條件選擇載荷組合方式，對5種不同狀況開展穩定性模擬評估，橋梁承受載荷狀況包含以下6方面：（1）橋梁自身重量；（2）二次靜態恒載；（3）順橋向風壓；（4）橫橋向風壓；（5）全橋達到26℃時的結構膨脹；（6）全橋降至26℃時的結構冷縮。狀況1為（1）+（2），狀況2為（1）+（2）+（3）+（5），狀況3為（1）+（2）+（3）+（6），狀況4為（1）+（2）+（4）+（5），狀況5為（1）+（2）+（4）+（6）。

通過模擬對比各種狀況發現，在橋梁建成階段，最大應力位置位于懸臂基部。當中跨完成閉合形成整體后，橋梁轉變為超靜定體系，該轉變對橋梁整體穩定性造成顯著影響?；跔顩r1，發現橋梁升溫和降溫至26℃時的特征值分別減少2.471和增加1.752。由此可見，風載荷和結構升降溫對橋梁穩定性的影響很小，全橋穩定性符合預期標準。

3 考慮非線性的大跨高墩連續剛構橋穩定性評估

3.1 考慮非線性的全橋穩定性評估

通過模擬墩頂位移評估墩頂軸力，再將所得墩頂軸力施加至橋梁模型開展構件屈曲的穩定性分析。橋梁狀況分為懸臂施工和全橋建成2種狀態。根據實際施工條件選取載荷組合方式，對上述2種狀態下的剛構橋開展穩定性分析。橋梁承載模式包含以下7類：（1）橋梁自身重量；（2）施工過程承載；（3）施工時尺寸偏差及梁體重量變化；（4）假設單側掛籃墜落情況，沖擊系數設為1.8；（5）橫向風力載荷；（6）橋梁建成后的恒定載荷；（7）全橋達到26℃時的結構膨脹。在最大懸臂施工和全橋建成狀態下，橋梁承受的最不利外荷載組合分別為（1）+（2）+（3）+（5）和（1）+（5）+（6）+（7）。全橋的靜力平衡關系應滿足下式[5]：

[KD]+[K's]+[K0]={P} （2）

式中：[K0]——線性小變形彈性模量矩陣；[K's]——初始應力彈性模量矩陣；[KD]——大變形彈性模量矩陣。

經計算分析，最大懸臂狀態下的線性和非線性1階特征值分別為45.287和41.374。當橋梁處于成橋狀態時，其線性和非線性1階特征值分別上升至75.169和下降至68.633，可見當考慮非線性因素后，高墩穩定性呈顯著下降趨勢。

3.2 考慮材料和幾何雙層面非線性的全橋穩定性評估

考慮材料和幾何雙層面的非線性穩定性分析是一種深入研究全橋穩定性核心因素，并量化其影響程度的高效方法。在這種分析中，能夠詳細考察各種可能影響橋梁穩定性的因素，并通過科學衡量方法將它們對橋梁整體穩定性的具體貢獻進行量化排序，可有效幫助工程師更準確地評估和預測大跨徑連續剛構橋的力學行為。在對橋梁靜載荷作用下的行為特征進行全面理解和分析時，雙層面非線性穩定性分析方法綜合考慮材料和幾何非線性因素的聯合作用，該方法不僅限于關注單一力學的參數變化，而是綜合考慮多種潛在的非線性效應，包括材料的彈性變形和塑性變形，以及結構構件的幾何形狀變化等因素。

在實際分析過程中，采取逐步增加靜載荷的方式觀察橋梁在不同載荷條件下的實際響應。當靜載荷達到一定水平時，如果觀察到案例剛構橋出現顯著的不穩定現象，則記錄和分析相關載荷和對應變形數據，從而能夠識別出橋梁結構數值響應的模式和整體趨勢。在最大懸臂狀態下，線性、非線性和雙層面非線性1階特征值分別為45.362、41.522和33.816，而當橋梁建成并投入使用時，線性、非線性和雙層面非線性1階特征值分別變為75.483、68.339和53.7。上述變化表明，材料和幾何非線性共同主導結構的非線性效應，當僅考慮單一非線性因素時，對橋梁的穩定性影響很小。

4 結論

該文采用Midas Civil有限元模擬軟件，深入剖析案例大跨高墩連續剛構橋施工全過程的受力特性和不同施工環境下的剛構橋結構穩定性，得出的主要結論如下：

通過實際案例橋梁工程分析，深入探究橋梁高墩構造、主跨懸挑施工過程中和橋梁竣工后的穩定性問題。研究結果表明，在考慮各種載荷狀況時，風荷載影響相對較小，在進行大跨徑連續剛構橋穩定性計算時可不予考慮。然而，通過全橋穩固性的評估表明，在各種橋梁施工狀態下，梁段重量變化和吊籃墜落均對橋梁穩定性影響顯著，故在施工過程中須采取必要的預防措施保障施工質量和安全，在完成橋梁建設且進入全面運營階段后，橋梁的穩定性問題表現為面外失穩，即在垂直于橋梁平面方向上發生失穩現象，最大應力集中現象發生在懸臂結構的根部。通過進一步分析表明，案例大跨徑連續剛構橋在最大懸臂狀態和建成階段的非線性穩定性，受到共同主導全橋非線性效應的幾何和材料非線性的聯合影響。上述發現可為類似工程的設計和施工提供重要實踐指導。

參考文獻

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收稿日期：2024-08-10

作者簡介：王家輝（1981—），男，本科，高級工程師，從事市政路橋施工管理工作。