橫系梁對雙肢薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋穩(wěn)定性影響分析

陶甫先,劉虎城,劉冠沖

(長安大學公路學院,陜西 西安 710064)

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橫系梁對雙肢薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋穩(wěn)定性影響分析

陶甫先,劉虎城,劉冠沖

(長安大學公路學院,陜西 西安 710064)

連續(xù)剛構(gòu)橋較多采用雙肢薄壁墩，而雙肢薄壁墩的縱向剛度偏小，穩(wěn)定性較差。在設(shè)計中可通過設(shè)置橫系梁的方式來改善橋墩的縱向剛度。為得到最合理的橫系梁設(shè)置方案，采用空間有限元軟件MIDAS CIVIL建立有限元模型，從施工和成橋兩個階段分析橫系梁的設(shè)置數(shù)量及設(shè)置位置對雙肢薄壁墩穩(wěn)定性的影響，總結(jié)出系梁合理設(shè)置數(shù)量及位置，對同類橋梁橫系梁的設(shè)置提供參考。

連續(xù)剛構(gòu)橋；雙肢薄壁墩；橫系梁；穩(wěn)定性

連續(xù)剛構(gòu)橋是一種比較適合大跨度設(shè)計的橋型，技術(shù)成熟，在我國已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。目前，在國內(nèi)，大跨高墩的連續(xù)剛構(gòu)橋主要分布在沿河地區(qū)和山區(qū)峽谷地段。連續(xù)剛構(gòu)屬于超靜定結(jié)構(gòu)，由于混凝土收縮徐變、溫度效應(yīng)及活荷載等使得上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大內(nèi)力和變形，在墩頂會產(chǎn)生較大的水平位移，為了順應(yīng)這種較大的變形，需要設(shè)置柔性橋墩來適應(yīng)橋梁變形。故雙肢薄壁墩成為連續(xù)剛構(gòu)橋經(jīng)常采用的一種橋墩形式。而雙肢薄壁墩的剛度小，柔性大，橋墩在豎向力和水平力的作用下，有可能出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象。因而對于雙肢薄壁墩的連續(xù)剛構(gòu)橋來說，墩的穩(wěn)定性成為影響結(jié)構(gòu)安全性的一個重要指標。增大橋墩的剛度可以通過增大橫截面面積以及增加材料強度的方式來實現(xiàn)，然而這樣做是不經(jīng)濟的。所以，合理設(shè)置墩間橫系梁就成為增強雙肢薄壁墩剛度的最佳措施。本文基于一座在建橋梁，從橫系梁的設(shè)置數(shù)量、位置兩方面入手，仔細分析在施工階段的最不利荷載狀況和成橋階段兩個工況下，橫系梁對雙肢薄壁墩穩(wěn)定性影響[1-6]。

1 工程概況

某大橋位于云南的一條省道上，為跨溝橋。主橋為PC連續(xù)T型剛構(gòu)，跨徑組成為(100+180+100)m,對稱結(jié)構(gòu)，主橋總長為380 m，橋面寬12 m，箱梁采用1.6次拋物線從跨中3.5 m漸變至梁墩固結(jié)處11 m，采用C55混凝土。橋墩采用雙肢薄壁墩，兩墩高為105 m,采用C50混凝土，該橋的立面圖如圖1所示,截面形狀如圖2所示。

2 計算模型

采用midas civil 2012建立空間有限元模型對該大橋進行模擬。其模型如圖3所示，全橋共劃分222個節(jié)點，218個單元，采用梁單元。墩底采用一般支承，約束3個方面的位移和轉(zhuǎn)角，墩梁采用彈性連接中的剛性連接。結(jié)構(gòu)組30個，邊界組7個，荷載組78個，鋼束組6個，成橋階段總共張拉276束預(yù)應(yīng)力鋼束?？紤]材料的收縮和徐變。

圖1 某橋立面圖

圖2 橋墩剖面圖

圖3 某橋mdias模型

圖4 施工階段最不利工況荷載作用位置示意圖

3 施工階段及成橋階段分析

3.1 施工階段最大懸臂分析

在施工階段，最不利荷載組合情況應(yīng)該是在合攏前最大懸臂階段。主要考慮的荷載有恒荷載(包括結(jié)構(gòu)自重、鋼束預(yù)應(yīng)力)、不平衡荷載、風荷載、收縮徐變、溫度效應(yīng)。其它作用在此不作考慮[7]。

施工階段最不利荷載工況：恒荷載+不平衡荷載+風荷載

荷載參考值均取自《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》。荷載作用位置(自重除外)如圖4所示，其中：

(1)橋墩橫向風荷載q0=9 kN/m；

(2)主梁澆筑不平衡導致一端的自重偏大，按5%計算，q1=12.4 kN/m；

(3)主梁施工時期一端的堆載q2=9 kN/m；

(4)一端掛籃跌落導致的不利荷載(集中力，分項系數(shù)取1.2)q3=1 250 kN。

3.2 成橋階段分析

成橋階段，主要考慮的荷載有：恒荷載(包括結(jié)構(gòu)自重、鋼筋預(yù)應(yīng)力、二期鋪裝)、溫度效應(yīng)、風荷載以及活載[8-10]。

成橋階段最不利荷載工況為：恒荷載+溫度荷載+風荷載+活載+制動力。

其中，二期鋪裝取85 kN/m，溫度荷載取整體升溫降溫(升溫20 ℃，降溫20 ℃)，橋面溫度梯度按規(guī)范考慮，活載(只考慮汽車荷載)按規(guī)范的公路-Ⅰ級荷載取值，由于是雙車道，均布荷載為2×qk=10.5×2=21 kN/m，集中荷載取2×Pk=720 kN，制動力經(jīng)計算為640 kN。

4 計算結(jié)果

4.1 系梁數(shù)量對穩(wěn)定性影響分析

為了研究系梁數(shù)量對穩(wěn)定性的影響，分別給雙肢薄壁墩等間距設(shè)置0、1、2、3道橫系梁，計算其特征系數(shù)。在施工階段最大懸臂，計算屈曲特征值如表1所示。

表1 最大懸臂階段橫系梁數(shù)目與特征值系數(shù)關(guān)系

可以看出在最大懸臂階段下，無橫系梁的雙肢薄壁墩的特征值系數(shù)只有9.42，而加了1道橫系梁之后穩(wěn)定性有了明顯的提升，比無系梁的雙肢薄壁墩提高約68%,相比之下，在加2道橫系梁后，特征值系數(shù)大約只比加1道橫梁提高約9.55%,而當橫系梁數(shù)量為3的時候，相較于2道橫系梁，特征值系數(shù)幾乎不變。

在成橋階段，計算屈曲特征值如表2所示。

表2 成橋階段橫系梁數(shù)目與特征值系數(shù)關(guān)系

在成橋階段，由于橋梁整體性得到提高，其穩(wěn)定性也顯著提高，在無橫系梁的情況下特征值系數(shù)達到了22.63，但是在加了1道橫系梁的情況下其穩(wěn)定性仍然提高42%，相比之下，繼續(xù)增加橫系梁的數(shù)量對穩(wěn)定性的提升就不是很明顯了。

4.2 系梁位置對穩(wěn)定性的影響分析

從穩(wěn)定性提升效果，施工、經(jīng)濟效益等方面考慮，雙肢薄壁墩設(shè)置一道橫系梁較為合理，為研究設(shè)置一道橫系梁時，其合理的設(shè)置位置，分別把橫系梁置于雙肢薄壁墩的中點、兩個三分點及兩個四分點，即h/4、h/3、h/2、2h/3、3h/4(從上到下)，其屈曲特征值計算結(jié)果用圖表匯總。

在施工階段最大懸臂計算結(jié)果見表3。

表3 最大懸臂階段橫系梁位置與特征值系數(shù)關(guān)系

在成橋階段計算結(jié)果見表4，并以此繪制成圖5。

表4 成橋階段橫系梁位置與特征值系數(shù)關(guān)系

圖5 成橋階段系梁位置與特征值系數(shù)關(guān)系曲線圖

從圖5、表3、表4可以看出，在施工階段最大懸臂和成橋階段，系梁位置和特征值系數(shù)的關(guān)系曲線規(guī)律基本一致，當橫系梁位于橋墩正中間的部位時特征值系數(shù)最大，隨著距橋墩中點的距離增加，特征值系數(shù)會降低。

由前面分析可知，設(shè)置2道橫系梁雖然比設(shè)置一道系梁橋墩穩(wěn)定性提高不多，為保證試驗設(shè)置的全面性，特針對2道系梁的情況，采用對稱不等間距分布設(shè)置系梁位置，即2道系梁到墩底和墩頂?shù)木嚯x保持相同，改變兩系梁的間距，計算其屈曲特征系數(shù)如表5所示。

由表5中數(shù)據(jù)可以看出，最大懸臂階段，當2道系梁間距為h/3時，即2個系梁按3等分點布置，屈曲特征值最大，對橋梁穩(wěn)定性提高效果最好。

成橋階段時，系梁位置與施工階段最大懸臂時系梁布置位置相同，計算屈曲特征值如表6所示。

由表6中數(shù)據(jù)分析，可以看出，與施工階段最大懸臂時類似，當系梁間距為h/3時，特征值系數(shù)達到最大值，橋梁穩(wěn)定性達到最高。隨著系梁間距的改變，屈曲特征值系數(shù)都有所下降。

5 結(jié)論

(1)無系梁的雙肢薄壁墩要比有系梁的雙肢薄壁墩穩(wěn)定性低很多，而設(shè)置2道以上的橫系梁對穩(wěn)定性提高并不顯著，且橫梁梁與橋墩連接處受力復雜，且有應(yīng)力集中。因此建議橫系梁設(shè)置數(shù)量為1道，且要注意連接處構(gòu)造形式，以減輕應(yīng)力集中。

表5 最大懸臂階段2道系梁位置與特征值系數(shù)關(guān)系

表6 成橋階段兩道系梁間距與特征值系數(shù)關(guān)系

(2)系梁設(shè)置位置與穩(wěn)定性有很大關(guān)系，設(shè)置一道系梁較為合理，那么在此前提下，把系梁設(shè)置于橋墩中間位置，穩(wěn)定性要比設(shè)置在其他位置高，而且距離中心位置越遠，橋墩穩(wěn)定性越差。

(3)系梁能顯著提高橋墩整體剛度，因此相較于增大橋墩截面面積或者是提高材料強度等措施，設(shè)置系梁是提高橋墩穩(wěn)定性最好的方法。

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Cross collar beam impact on stability of double limb thin-walled pier continuous rigid frame bridge

TAO Fu-xian, LIU Hu-cheng, LIU Guan-chong

(SchoolofHighwayofChang’anUniversity,Xi’an710064,China)

Double thin-wall pier is constantly used by many continuous rigid frame bridges, but its longitudinal stiffness and stability is less stable. Its longitudinal stiffness can be improved by setting the cross collar beam in its design. In order to obtain the most reasonable setting scheme, finite element model is established by using MIDAS CIVIL. This paper analyses the influence of the quantity and position of the cross collar beam during construction process and the final completion stage, and then the reasonable quantity and position are determined, which provides reference for similar projects.

continuous rigid frame bridges; double thin-wall pier; straining beam; stability

2015-01-16

陶甫先(1989-)，男，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，碩士研究生。

1674-7046(2015)02-0012-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.02.003

TU984.12

A