PC斜拉橋“X”形橋墩力學性能研究

摘要 為研究預應力混凝土斜拉橋“X”形橋墩在施工過程中及長期運營過程中的力學性能，該文以某在建PC斜拉橋為項目為背景，建立Midas/Civil有限元分析模型，對“X”形橋墩施工過程及成橋后主墩的受力狀態進行模擬。分析了“X”形橋墩在施工過程中布設臨時橫撐（拉桿）對結構剛度、強度及穩定性的影響，長期收縮徐變后“X”形橋墩的力學性能變化，并根據計算結果，明確后續健康監測中應重點關注的部位。

關鍵詞 預應力混凝土斜拉橋；“X”形橋墩；有限元分析模型；力學性能；臨時橫撐（拉桿）

中圖分類號 U448 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）23-0013-05

0 引言

在橋梁工程領域，異形橋墩以其獨特的美學設計而備受推崇，然而異形橋墩的施工技術與混凝土的收縮和徐變行為分析，是確保橋梁結構安全、持久和功能實現的關鍵研究點。這兩個領域的深入研究對于橋梁工程的質量和性能至關重要，近年來國內學者在這兩個領域取得了一系列研究成果，推動了橋梁工程的發展。

對于異形橋墩施工方面，王健[1]研究了異形橋墩的模板設計、鋼筋加工和混凝土澆筑施工技術，采用BIM技術對模板進行了驗算，并對鋼筋的加工、下料制作以及鋼筋成型的碰撞進行了優化與檢測。強偉亮等[2]通過有限元法分析了“Y”形橋墩結構受力，設計了定制型鋼主梁與鋼管立柱組合支架體系，確保結構順利施工。王戰國等[3]提出在“V”形橋墩中部張拉臨時剛鋼束以減小或消除“V”形橋墩根部出現的拉應力，并通過限元軟件建立了“V”形橋墩三維實體單元模型，通過實測數據驗證該方法的實用性。張杰[4]通過對某高速公路工程大懸臂花瓶墩建立實體有限元模型，針對結構異形的特點，考慮不利工況下不同傳力路徑應力分布狀況，并對施工過程進行了相應指導。

混凝土橋梁收縮徐變方面，黃春亮等[5]通過建立空間有限元預測模型，對成橋時刻、運營10年后的收縮徐變影響進行分析，得出收縮徐變對矮塔斜拉橋主體結構各組成部分均有較大影響的結論，并提出在設計及施工過程中應引起足夠的重視并進行關鍵控制。熊志朋等[6]采用與實橋相同的材料，建立幾何縮尺比1∶40的三跨連續剛構模型和簡支梁模型。分析縮尺模型橋的混凝土收縮徐變變化規律，與預測模型對比分析，驗證了現行《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）[7]的可靠性。姜海君[8]用BSAS和Midas/Civil軟件對不同規范收縮徐變變形結果進行對比分析，同樣表明采用《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）來計算收縮徐變變形與工程實際更為接近。

目前“X”形橋墩施工及收縮徐變的相關研究較少，缺乏該類異性橋墩在施工過程中及長期收縮徐變中的相關結論，對此，該文在相關的研究基礎上，采用Midas/Civil

軟件，對“X”形橋墩施工過程中的剛度、強度、穩定性進行了計算分析，并通過采用臨時橫撐（拉桿）的方式改善結構受力，同時分析墩身在長期收縮徐變后位移、應力的變化情況，并得出相應結論。

1 工程概況

主橋上部結構采用（118+220+118）m預應力混凝土斜拉橋，采用單箱雙室大懸臂斜腹板展翅寬幅箱形主梁，人字形主塔，單索面扇形、橫向雙排布置斜拉索，塔梁墩固結體系，下部采用“X”形雙肢薄壁墩，群樁基礎。圖1中兩主墩由左至右分別為12#、13#墩。

橋梁主墩采用C40混凝土，12#墩高50 m，塔肢厚2.5 m，總寬12 m。采用懸臂模板并以4.5 m為標準節段進行施工，12#墩與13#墩結構類型完全一致，僅墩高有較小差別，因此該文僅以12#墩進行分析，如圖1所示。

2 有限元分析模型建立

該文計算模擬采用Midas/Civil有限元模擬程序，依據設計圖紙、施工方案建立全橋模型，模擬了樁基施工、主墩施工、主梁懸臂現澆、預應力張拉、斜拉索張拉、邊跨現澆、邊跨合龍、中跨合龍等關鍵施工階段結構的力學性能。全橋共采用600個節點、421個梁單元與88個桁架單元，其中樁基、墩柱、主梁橋塔均采用梁單元模型，斜拉索采用桁架單元模擬，全橋有限元模型如圖2所示。

該文重點研究“X”形雙肢薄壁墩施工過程及長期運營后的力學性能，為方便描述，對墩身關鍵位置進行了編號，如圖3所示。位置1、2為墩身與承臺剛接處，位置3、4、5、6為雙肢合龍段，位置7、8為墩身與主梁0#塊剛接處。

3 施工過程分析

對于“X”形橋墩施工，雙肢合龍位置以下位置施工時，重力作用使得墩身內傾，同時也會引起外側墩底產生一定的拉應力，同樣雙肢合龍以上施工時也存在墩身外傾的問題。對此，建立了一組在墩柱施工過程中設有臨時橫撐（拉桿）的有限元模型，分析施工過程中臨時橫撐（拉桿）對墩身強度、剛度及穩定性的影響。

從結構所受彎矩來講，直線傾斜式的懸臂桿件僅在重力作用下時，固定端位置處受較大的彎矩作用，若對懸臂結構中心位置處施加水平支撐，則能夠使得該位置與固定端彎矩同時達到最優，盡可能減小構件最大彎矩。“X”形橋墩雙肢合龍前，雙肢以“∧”形向中心線內側收攏，僅設一道臨時橫撐時可將撐桿位置設于下肢高度一半處，呈“A”字形構造；合龍后，雙肢以“V”形向中心線外側方向延伸，同樣需考慮在上肢高度一半處施加水平約束，此時考慮墩身較高，為保證足夠的安全系數，在0#塊梁底2.5 m以下再設置一道水平約束。因此，對于該橋塔柱施工時，考慮共采用1道水平橫撐及2道水平拉桿。如圖3所示，橫橋向布置兩道，共布置6根Φ630×9 mm鋼管。

墩柱施工過程中，已澆筑部分拉應力及懸臂端最大位移的控制對于結構整體施工安全性及可靠性尤為重要，該小結分析了布設臨時橫撐（拉桿）后，墩身在施工中最不利位置的應力及順橋向位移情況，分別如圖4與圖5所示。

如圖4所示，第一道橫撐施工前，兩組模型完全一致，位置1處出現最大0.23 MPa拉應力，此時布設第一道臨時橫撐將減小后續階段的拉應力。當雙肢墩身施工至合龍段前時，施加的第一道臨時橫撐發揮最大作用，對比未布設臨時橫撐的橋墩，位置1最大拉應力由0.89 MPa減小至0.08 MPa。當雙肢墩合龍并繼續向上施工時，墩柱將在重力作用下發生外傾，此時，結構受力最不利位置將由位置1處轉變為位置3處。第一、二道臨時拉桿的布設使得位置3處最大0.83 MPa拉應力減小為0.03 MPa壓應力。圖5所示為布設橫撐后墩身最大水平位移的對比，同應力對比結果類似，當布設第一道臨時橫撐后，墩身最大水平位移由3.50 mm減小至1.18 mm；第一、二道臨時拉桿的布設使得最大水平位移由4.41 mm減小至1.83 mm。

受壓構件在受到擾動作用下可能從原有的平衡狀態轉移到新的平衡狀態，這種情況稱為失穩。在斜拉橋中，墩柱是主要的承重構件，主要承受軸向壓力和一定的彎矩，因此，穩定性問題比較明顯，本部分對“X”形橋墩在施工過程中的穩定性進行分析。采用Midas/Civil建立墩柱的有限元屈曲分析模型，分析了布設臨時橫撐對墩柱施工過程中穩定系數的影響，工況定義為：自重+順橋向風荷載（均設為可變系數）。

當結構加載至荷載工況中可變系數的k倍時，結構將會發生失穩，那么此時的k即為結構的穩定系數，模型中將自重與順橋向風荷載均設為可變系數，則通過屈曲分析計算出的穩定系數為結構將在承載k倍的自重與順橋向風荷載后發生失穩，計算結果如表1所示。

計算結果表明：結構的第一階穩定系數約為94，遠大于規范中所要求的4。結構的前三階失穩均是由于樁基發生側向或扭轉變形，由于臨時橫撐（拉桿）并不能直接影響樁基的穩定性，且額外增加的自重對于樁基來說為不利荷載，因此，布設臨時橫撐（拉桿）后前兩階穩定系數反而有所減小。第四、五階失穩發生在“X”形橋墩的墩身位置，此時臨時橫撐（拉桿）將起到一定的增強結構穩定性作用，穩定性系數由322.47增至323.26，但由于墩身具有較大的截面尺寸與較小的長細比，臨時橫撐（拉桿）對墩身穩定系數的提升可忽略不計。

4 長期收縮徐變分析

異形混凝土橋墩在長期受到收縮和徐變的影響后，主要表現為結構變形的增加，包括縱向和橫向收縮，這些變形可能導致應力重分布，降低結構的承載能力和耐久性。因此在長時間運營過程中，需要采用合理的預測模型，以確保橋梁的安全性和適用性。

本部分同樣采用Midas/Civil有限元分析程序，并添加時間依存材料，依次分析了恒載作用下，橋狀運營1年、2年……10年后“X”形橋墩關鍵位置處的應力、位移變化。經10年收縮徐變后，全橋結構整體的側移情況如圖6所示。

由圖6可知，經長期收縮徐變后，全橋結構將產生最大46.23 mm的側移，12#主墩墩身整體向中跨方向側移。長期收縮徐變對墩柱的影響如圖7、8所示，水平位移增量在第一年最大，經10年收縮徐變后，各位置點處的水平位移量增長速率減緩，表明后續水平位移量趨于穩定，隨著選取位置點高度的越大，墩柱10年后收縮徐變引起的側移量越大。對于位置7、8處，二期鋪裝完成后，結構在自身恒載及斜拉索的作用下在水平方向分別產生12.09 mm、9.79 mm位移，經過10年運營后，兩處最大位移分別為31.87 mm、28.39 mm，二者之差可得出位置7、8處10年收縮徐變引起的最大側移量約為19.78 mm、18.60 mm，即墩頂與主梁0#塊位置剛接處將產生最大19.78 mm的增加量。對于一般構件來講，高度是影響其側向剛度的主要影響因素，因此選取位置較低的位置點來分析時，墩身的側移量相對于墩頂位置處的側移量明顯較小。

墩柱10年收縮徐變后豎向位移情況如圖9、10所示，同樣可以看出隨著運營年限的增加，各關鍵位置處的豎向位移量明顯增大，但增長速率逐漸減小，整體趨于穩定。對于墩頂位置8處在成橋狀態下產生19.95 mm位移，經10年運營后，最大增至31.04 mm，產生約11.09 mm的附加豎向位移，因此后續橋梁健康監測中，對于橋墩長期位移監測應重點關注墩頂與主梁0#塊位置剛接處的位移變化情況。

圖11、12展示了結構關鍵位置處結構的應力變化情況，對于12#墩受力來說，長期收縮徐變將引起墩身向中跨方向的側移，引起位置1處受拉，減小位置1處的最大壓應力，該結論與圖9中計算的結果相符合，成橋階段至10年收縮徐變后，在恒載作用下，位置1處壓應力由5.64 MPa緩慢減少至5.31 MPa，由此也可得知，長期的收縮徐便會對位置1處產生0.33 MPa的附加拉應力。位置點4、5、6、7處在長期收縮徐變后，應力會發生明顯增長，位置5處最大引起0.8 MPa的附加壓應力。

5 結論

該文以某在建項目中的預應力混凝土斜拉橋施工為背景，通過采用有限元分析的方法，分析了其“X”形橋墩在施工過程中的力學性能變化及經長期運營后墩柱受收縮徐變影響的影響情況，依據分析結果得出以下幾點結論 ：

（1）對于懸臂傾斜式的墩身施工，在其高度方向中部位置布設臨時橫撐（拉桿）能夠顯著減小結構水平位移及最大拉應力；

（2）當橋墩截面較大時，橋墩自身具有較高的穩定系數，臨時橫撐（拉桿）對于墩身穩定系數的影響可忽略不計；

（3）經過長期運營后，“X”形橋墩在收縮徐變的影響下將會整體向中跨方向產生較大的側向位移及附加應力；

（4）墩身第一年的應力、位移受收縮徐變影響最大，后續影響逐漸減小，對此建議后續橋梁健康監測中宜重點關注第一年墩身與承臺剛接處的附加拉應力增長情況及墩頂位置處的側移情況。

參考文獻

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