薄壁高墩連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂澆筑施工過程穩(wěn)定性分析

張 璇，譚小生

(江西省交通工程集團(tuán)公司)

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薄壁高墩連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂澆筑施工過程穩(wěn)定性分析

張 璇，譚小生

(江西省交通工程集團(tuán)公司)

以L大橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂澆筑的特點(diǎn)進(jìn)行探討，分析了薄壁高墩連續(xù)剛構(gòu)橋懸澆過程線彈性屈曲穩(wěn)定性，得出提高最大懸臂階段穩(wěn)定性的方法可以從增加墩柱壁厚、改變橋墩的截面形式的有效結(jié)論。

薄壁高墩；穩(wěn)定性；懸臂澆筑

1 工程背景

L大橋主橋?yàn)榇罂纭⒏叨?、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，其中主墩10號(hào)、11號(hào)都由雙薄壁墩組成，10號(hào)墩薄壁為矩形空心截面，墩柱高91m，墩頂、底各設(shè)一段矩形實(shí)心截面；橫橋向?qū)挾葹?.0m，順橋向?qū)挾葹?.8m，兩片薄壁墩間凈距為4.4m，在墩柱之間設(shè)有兩道橫向系梁。11號(hào)墩薄壁為矩形實(shí)心截面，墩柱高 40m，橫橋向7.0m，順橋向2.0m，兩片薄壁墩凈間距為 6.0m。主墩上端均與箱梁0號(hào)塊梁段固結(jié)，下端與承臺(tái)固接。橋墩承臺(tái)均采用17.6 11.1m矩形承臺(tái)，厚度為5.0m，設(shè)有C25片石混凝土墊層。基礎(chǔ)各采用6根直徑為2.4m的樁基，均按嵌巖樁設(shè)計(jì)，各樁分別嵌入單軸極限抗壓強(qiáng)度不小于34MPa的弱風(fēng)化變余砂巖，深度不小于8m。

2 連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂澆筑的特點(diǎn)

(1)在懸臂澆筑施工過程中，需要保證其具有安全性、穩(wěn)定性。在節(jié)段施工中，由于易出現(xiàn)偏載或者因風(fēng)力而產(chǎn)生不平衡彎矩的情況，為承受這種不平衡彎矩，在施工中，往往除了墩、梁臨時(shí)固結(jié)外，還會(huì)在橋墩或者墩旁會(huì)架設(shè)臨時(shí)支撐，這樣來保證施工中雙懸臂體系的穩(wěn)定性。

(2)在懸臂澆筑施工過程中，需要保證混凝土的澆筑質(zhì)量。由于懸臂澆筑施工中，高空作業(yè)的工作量比較大，但是其工作面較小，混凝土養(yǎng)生、脫模對(duì)施工的周期產(chǎn)生了一定的限制，節(jié)段循環(huán)作業(yè)中遺留有內(nèi)部接縫等因素，因此要從設(shè)計(jì)和施工全面考慮保證每節(jié)段混凝土的施工現(xiàn)澆質(zhì)量。

(3)在懸臂澆筑施工過程中，需對(duì)梁體的幾何位置進(jìn)行嚴(yán)格控制。相對(duì)于懸臂拼裝法，懸臂澆筑施工法更易控制變形，這是由于逐段澆筑施工能夠逐節(jié)段對(duì)掛焦標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整，但是逐步澆筑混凝土的齡期具有差異，在合攏時(shí)要進(jìn)行進(jìn)行體系轉(zhuǎn)化，因此，由于混凝土的收縮與徐變所產(chǎn)生的變形和次內(nèi)力比較復(fù)雜，對(duì)其必須認(rèn)真設(shè)計(jì)與施工。

3 薄壁高墩連續(xù)剛構(gòu)橋懸澆過程線彈性屈曲穩(wěn)定分析

薄壁高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的穩(wěn)定性主要為三個(gè)穩(wěn)定，即主梁懸臂澆筑過程中的穩(wěn)定性、高墩自體穩(wěn)定性和成橋后全橋的穩(wěn)定性。在薄壁高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂澆筑施工過程中，穩(wěn)定性最差的為最大懸臂狀態(tài)，非常容易發(fā)生側(cè)向的屈曲失穩(wěn)，這也成為了高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋穩(wěn)定性控制狀態(tài)。因而對(duì)最大懸臂狀態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行研究很具有代表性。根據(jù)L大橋模型，首先在相同壁厚的條件下分析其在不同荷載工況組合時(shí)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；其次分別采用10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm壁厚的橋墩模型，分析其在相同荷載工況條件下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；最后采用相同壁厚與相同的荷載工況分析自重對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響。

荷載組合工況如下。

工況一：自重荷載+預(yù)應(yīng)力荷載+施工不平衡堆載

工況二：自重荷載+預(yù)應(yīng)力荷載+施工不平衡堆載+單邊掛藍(lán)

工況三：自重荷載+預(yù)應(yīng)力荷載+施工不平衡堆載+單邊掛藍(lán)+橫向風(fēng)荷載

工況四：自重荷載+預(yù)應(yīng)力荷載+施工不平衡堆載+單邊掛藍(lán)+橫向風(fēng)荷載+縱向風(fēng)荷載

工況五：自重荷載+預(yù)應(yīng)力荷載+施工不平衡堆載+單邊掛藍(lán)+橫向風(fēng)荷載+縱向風(fēng)荷載+整體升溫 20 ℃

工況六：自重荷載+預(yù)應(yīng)力荷載+施工不平衡堆載+單邊掛藍(lán)+橫向風(fēng)荷載+縱向風(fēng)荷載+整體降溫 20 ℃

3.1 不同荷載工況下的穩(wěn)定性影響

表1 不同荷載組合工況下的穩(wěn)定特征值

分析得出。

(1)在以上六種荷載工況作用下，施工最大懸臂狀態(tài)過程中橋梁最容易出現(xiàn)高墩的橫橋向的側(cè)向傾覆失穩(wěn)(在本橋整體坐標(biāo)系下表現(xiàn)為沿y方向的傾倒)，其臨界屈曲荷載值約為上述最大荷載工況組合值的18.5倍。而第二種穩(wěn)定性的破壞模式則表現(xiàn)為高墩沿整體坐標(biāo)系x方向的傾覆，即為順橋向的傾倒，其穩(wěn)定傾覆荷載臨界數(shù)值約為上述最大荷載工況組合值的 33.6 倍。從數(shù)值上看橋梁在最大懸臂施工階段縱橋向的穩(wěn)定性約為橫橋向穩(wěn)定性的1.8倍；矮墩的穩(wěn)定性約為高墩穩(wěn)定性的2.6倍；高墩發(fā)生墩柱屈曲破壞的情況僅為高墩出現(xiàn)側(cè)向傾覆破壞概率的 26.5%。

(2)工況一的最小穩(wěn)定性系數(shù)為 19.185 59，工況二的穩(wěn)定性系數(shù)為 18.465 61，由工況一到工況二考慮了一邊掛藍(lán)突然掉落的情況，取單邊掛藍(lán)瞬時(shí)的荷載沖擊系數(shù)為 2.0 的情況下，單邊掛藍(lán)的掉落對(duì)最大懸臂狀態(tài)穩(wěn)定性的影響對(duì)于較高一側(cè)橋墩僅占穩(wěn)定安全系數(shù)的3.9%，對(duì)于矮墩一側(cè)僅占穩(wěn)定安全系數(shù)的3.6%，從影響百分率上看相差不大，但是矮墩的穩(wěn)定安全系數(shù)約是高墩穩(wěn)定系數(shù)的3.8倍，所以可以看出同樣的沖擊荷載對(duì)剛度較大的矮墩穩(wěn)定性的破壞效率要大于高墩，這是由于柔度較大的高墩在承受沖擊荷載作用時(shí)有較大的變形空間來消耗沖擊能的原因。由上述圖表可以看出從工況二到工況六，施工不平衡荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載對(duì)橋梁穩(wěn)定性的影響非常微小，可以忽略不計(jì)。

(3)工況六的荷載組合下施加的情況，應(yīng)當(dāng)屬于最不利施工荷載組合的情況，但是在這種情況下，單邊掛藍(lán)掉落+橫向風(fēng)荷載+縱向風(fēng)荷載+整體降溫20 ℃對(duì)橋梁穩(wěn)定系數(shù)的影響也只占到總安全系數(shù)的 3.9%。由此可以看出施工過程中所產(chǎn)生的荷載對(duì)橋梁安全穩(wěn)定的影響是相對(duì)比較小的，橋梁在設(shè)計(jì)時(shí)所采用的數(shù)據(jù)參數(shù)才是影響橋梁穩(wěn)定性決定因素。

3.2 橋墩壁厚對(duì)整體穩(wěn)定性的影響

當(dāng)橋墩壁厚減少到10cm的時(shí)候，橋梁的屈曲穩(wěn)定性特征值僅為5.4，十分接近第一類穩(wěn)定特征值的臨界值4。也就是說橋墩接近橫向傾覆的安全允許值。橋梁縱向傾覆的穩(wěn)定特征值為 9.6。出現(xiàn)的四種失穩(wěn)模態(tài)都是高墩失穩(wěn)破壞，其三階與四階模態(tài)都是表現(xiàn)為近似壓桿失穩(wěn)的態(tài)勢，因此無論是那種失穩(wěn)模態(tài)破壞，壁厚采用10cm的時(shí)候都是本橋橋墩的臨界失穩(wěn)壁厚。

橋墩的壁厚對(duì)最大懸臂狀態(tài)的穩(wěn)定性影響十分明顯，若想加強(qiáng)橋墩某個(gè)方向的穩(wěn)定性，通過加強(qiáng)影響該方向穩(wěn)定的橋墩壁厚是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。通過調(diào)整順橋向的壁厚與橫橋向橋墩的壁厚使橋梁在縱橫兩個(gè)方向上屈曲穩(wěn)定特征值接近，從而能夠達(dá)到提高最大懸臂施工狀態(tài)下橋梁穩(wěn)定的目的。

3.3 混凝土容重對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

從結(jié)果分析得出結(jié)構(gòu)發(fā)生穩(wěn)定破壞的形式并沒有隨混凝土容重的變化而改變，從屈曲穩(wěn)定特征值上看，混凝土容重增加的比率與結(jié)構(gòu)第一類模態(tài)的穩(wěn)定特征值減小的比率相當(dāng)。在容重為 28kN/m的情況下，結(jié)構(gòu)第一類失穩(wěn)模態(tài)穩(wěn)定性特征值為16.569 76。仍然能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穩(wěn)定性系數(shù)的允許值 4，可以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

對(duì)于整個(gè)最大懸臂施工階段來看，墩柱的壁厚、混凝土容重對(duì)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的影響要遠(yuǎn)大于施工不利荷載組合對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，風(fēng)荷載與整體升(降)溫對(duì)橋梁的影響很小，幾乎可以忽略不計(jì)。提高最大懸臂階段穩(wěn)定性的方法可以從增加墩柱壁厚、改變橋墩的截面形式、減小自重方面入手，這樣可以有效的加強(qiáng)最大懸臂時(shí)結(jié)構(gòu)在橫橋向、順橋向和橋墩豎向三個(gè)方向的穩(wěn)定性。

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[2] 文武松，周新亞.蘇通大橋輔航道連續(xù)剛構(gòu)橋建造技術(shù)[M].中國鐵道出版社，2010.

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2014-12-11

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