風(fēng)荷載作用下連續(xù)剛構(gòu)高橋墩穩(wěn)定性分析

賈 鋒

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030006）

在前幾年，穩(wěn)定大多是對(duì)于斜拉橋、懸索橋、拱橋來說的，而對(duì)于連續(xù)剛構(gòu)橋，一般認(rèn)為不需考慮其穩(wěn)定性。但近些年，工程建設(shè)技術(shù)的發(fā)展，使連續(xù)剛構(gòu)橋也向高墩與大跨發(fā)展，并趨于采用高強(qiáng)材料和薄壁結(jié)構(gòu)，因此，工程施工中的穩(wěn)定性監(jiān)控對(duì)于安全施工及成橋運(yùn)營就顯得更加的重要。本文僅就眾多荷載中的風(fēng)荷載對(duì)高橋墩的影響進(jìn)行空間穩(wěn)定性分析，為相關(guān)橋梁的施工風(fēng)荷載監(jiān)控提供一定的理論依據(jù)。

1 工程概述

某高速公路特大橋，其主橋結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)體系，跨徑組合為106+200+200+200+106m。橋面總寬度25m，單幅箱梁頂面全寬12.5 m、底面全寬6.5 m，頂面設(shè)2%的單向橫坡（單幅橋）。梁體采用1.8次拋物線變截面分離矩形箱梁，梁高從跨中3.5 m漸變至墩梁固結(jié)處的12 m；腹板厚度從跨中0.40 m漸變至墩梁固結(jié)處的0.70 m；底板厚度從跨中0.32 m漸變至墩梁固結(jié)處的1.10 m；頂板厚度0.28 m；主墩最高達(dá)178 m。

圖1 橋梁總體布置立面圖/m

2 分析思路及加載工況

2.1 分析思路

對(duì)于橋梁本身而言，橋墩的重力幾乎是不變的，墩頂受到的主梁的重力及其他豎向的荷載總和幾乎也是不變的。為便于說明，把高墩T構(gòu)受到的重力與風(fēng)載作圖，見圖2。

因?yàn)橹髁旱闹亓L幾乎是不變的，分析墩在失穩(wěn)臨界狀態(tài)下GL的加載系數(shù)就顯得意義不大。在圖2中，變化的力其實(shí)就只有風(fēng)壓q。實(shí)際工程中，人們更關(guān)心T構(gòu)在風(fēng)壓q作用下究竟有多大的安全度，也就是說，是墩在失穩(wěn)臨界狀態(tài)下q的加載系數(shù)。

以下就順著這個(gè)思路，針對(duì)風(fēng)載對(duì)T構(gòu)穩(wěn)定性的影響作進(jìn)一步的分析。

2.2 加載工況

工況一：主梁上左、右兩邊風(fēng)壓對(duì)稱，為q，墩上風(fēng)壓為q，墩的重力密度為g，主梁重力GL。先加載主梁與墩的重力，再加載風(fēng)壓q，求q在結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)的加載系數(shù)a。見圖3。

工況二：主梁上左邊風(fēng)壓為0.5q，右邊風(fēng)壓為q，墩上風(fēng)壓為q，墩的重力密度為g，主梁重力GL。先加載主梁與墩的重力，再加載風(fēng)壓q，求q在結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)的加載系數(shù)a。見圖4。

圖2 高墩T構(gòu)上的重力與風(fēng)載

圖3 工況一加載圖示

圖4 工況二加載圖示

3 模型的建立及結(jié)構(gòu)單元的選取

模型的建立應(yīng)能進(jìn)行線性與非線性分析。

ANSYS提供梁?jiǎn)卧?、板單元、殼單元和?shí)體單元。從計(jì)算機(jī)的硬件配置和分析精度兩方面綜合考慮，墩身和系梁混凝土采用實(shí)體單元SOLID65，墩身和系梁的內(nèi)、外鋼筋層采用單元LINK8，勁性骨架采用LINK8，主梁和臨時(shí)支撐采用梁?jiǎn)卧狟EAM44。

SOLID65單元用于含鋼筋或不含鋼筋的三維實(shí)體模型。該實(shí)體模型可具有拉裂與壓碎的性能。在混凝土的應(yīng)用方面，可用單元的實(shí)體性能來模擬混凝土，而用加筋性能來模擬鋼筋的作用。當(dāng)然該單元也可用于其他方面，如加筋復(fù)合材料（如玻璃纖維）及地質(zhì)材料（如巖石）。該單元具有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，即x,y,z三個(gè)方向的線位移，還可對(duì)3個(gè)方向的含筋情況進(jìn)行定義。

SOLID65單元重要的方面在于其對(duì)材料非線性的處理。其可模擬混凝土的開裂（3個(gè)正交方向）、壓碎、塑性變形及徐變，還可模擬鋼筋的拉伸、壓縮、塑性變形及蠕變。

簡(jiǎn)化后的截面見圖5～7，圖8中所示的為一個(gè)典型的高墩T構(gòu)的有限元模型。

4 應(yīng)力分析結(jié)果及評(píng)價(jià)

圖5 178 m高墩與130 m高墩的墩頂計(jì)算截面（單位：m）

圖6 178 m高墩的墩底計(jì)算截面（單位：m）

圖7 130 m高墩的墩底計(jì)算截面（單位：m）

圖8 高墩T構(gòu)有限元模型圖

為進(jìn)一步具體地看到結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，鑒于篇幅所限，在此不再分工況表示應(yīng)力曲線，僅分工況，把失穩(wěn)臨界狀態(tài)下混凝土和外層鋼筋的豎向正應(yīng)力用云圖表示出來，為施工及監(jiān)測(cè)中的風(fēng)壓控制提供一定的理論依據(jù)。其中，應(yīng)力分析中正值表示受拉，負(fù)值表示受壓。

5 結(jié)論

從應(yīng)力曲線圖及應(yīng)力云圖中可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）隨著加載系數(shù)的增加，墩身截面由開始的全截面受壓變成截面的一側(cè)受壓另一側(cè)受拉；而且加載系數(shù)增加到一定程度

工況一：

圖9 失穩(wěn)臨界狀態(tài)下混凝土的豎向正應(yīng)力云圖

圖10 失穩(wěn)臨界狀態(tài)下外層鋼筋的豎向正應(yīng)力云圖

圖11 失穩(wěn)臨界狀態(tài)下混凝土的豎向正應(yīng)力云圖

圖12 失穩(wěn)臨界狀態(tài)下外層鋼筋的豎向正應(yīng)力云圖

工況一：時(shí)，截面受拉一側(cè)的混凝土開裂；最后結(jié)構(gòu)因?yàn)槭芾摻畹那茐摹?/p>

（2）結(jié)構(gòu)的破壞為受彎破壞，與通常的小偏小破壞不同。

（3）兩個(gè)工況下，結(jié)構(gòu)在開裂時(shí)的加載系數(shù)分別為1.231和1.546，破壞時(shí)的加載系數(shù)分別為2.186和2.930，因此說明：從結(jié)構(gòu)的開裂到結(jié)構(gòu)的破壞過程中，結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

（4）從混凝土的應(yīng)力云圖中同時(shí)可以看出，結(jié)構(gòu)破壞的時(shí)候，混凝土已大面積開裂。

（5）一般對(duì)于高墩穩(wěn)定分析的做法，是把橋墩作為一個(gè)在側(cè)向力作用下發(fā)生側(cè)移的壓桿來分析的。但顯然，橋墩的重力幾乎是不變的，墩頂受到的主梁的重力及其他豎向的荷載總和幾乎也是不變的，變化的是風(fēng)載，那么，計(jì)算結(jié)構(gòu)臨界狀態(tài)時(shí)墩頂豎向力的加載系數(shù)就顯得沒有意義，而分析結(jié)構(gòu)在多大的風(fēng)載作用下才會(huì)失穩(wěn)破壞是切合實(shí)際的做法，同時(shí)，橋梁的高墩T構(gòu)施工穩(wěn)定分析的穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)為T構(gòu)失穩(wěn)臨界狀態(tài)時(shí)的風(fēng)載加載系數(shù)。因此，從分析結(jié)果來看，后者的分析才更趨于安全與合理。