青藏高原地區(qū)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋薄壁空心高墩穩(wěn)定性的研究

田潤(rùn)鵬 崔永嘉 何少奇 等

摘 要：薄壁空心橋墩的局部穩(wěn)定主要是通過(guò)設(shè)置橫隔板或者是控制壁厚來(lái)增強(qiáng)，而在規(guī)范中尚未有具體明確的規(guī)定。本文以尕瑪羊曲黃河特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，其主橋上部為?5+5×120+65）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，下部主墩為單薄壁空心墩。最大墩高為111m。首先進(jìn)行仿生學(xué)調(diào)研研究，建立隔板不同布置的數(shù)學(xué)模型。然后根據(jù)背景工程的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，建立后期對(duì)比分析的CAD模型。然后使用ANSYS軟件進(jìn)行建模分析，得到不同布置的橫隔板下，高墩結(jié)構(gòu)在荷載下的靜力和穩(wěn)定情況。以得到橫隔板布置的最佳位置。

關(guān)鍵詞：薄壁空心高墩；橫隔板；仿生；靜力和穩(wěn)定；最佳布置

1.緒論

尕瑪羊曲黃河特大橋主橋上部為（65+5×120+65）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，箱梁頂板寬12.0m，底板寬7.0m，頂板厚0.30m，底板厚由跨中0.30m按1.8次拋物線變化至根部0.80m，腹板厚跨中段為0.50m、根部變?yōu)?.65m，漸變段長(zhǎng)4.5m。橋墩頂部范圍內(nèi)箱梁頂板厚0.50米，底板厚1.0和1.5米，腹板厚0.90米。

主橋26～31號(hào)橋墩采用單薄壁空心橋墩，單薄壁空心橋墩橫橋向?qū)?.0米，26、31號(hào)橋墩順橋向單薄壁尺寸為6.0米，27～30號(hào)橋墩順橋向單薄壁尺寸為7.0米，壁厚順橋向0.7米，橫橋向0.9米，其中28、29墩底至30米范圍橫橋向?yàn)闈u變段。分隔墩采用單薄壁空心墩，橫橋向?qū)?.5米，順橋向尺寸為4.5米，壁厚0.5米；引橋橋墩采用柱式墩和空心墩；橋臺(tái)采用肋板式和柱式橋臺(tái)。

由于本文關(guān)注下部結(jié)構(gòu)空心高墩的穩(wěn)定研究，選取該橋中間28、29號(hào)高墩為研究對(duì)象。

2.仿生學(xué)調(diào)研研究及數(shù)學(xué)模型建立

2.1 基于仿生學(xué)研究的數(shù)學(xué)模型建立

竹子每隔一小段就有一個(gè)節(jié)，有著橫隔板的高墩結(jié)構(gòu)和竹子的結(jié)構(gòu)極為相似，而高墩的橫隔板就好似竹節(jié)一樣。通過(guò)仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)：竹子的節(jié)并不是平均分布的，而是下部的竹節(jié)較為密集，中間較為稀疏，頂部又稍微密集。

選取整數(shù)近似高度110米為數(shù)學(xué)模型（與背景工程尕瑪羊曲大橋高墩高度接近）。為此，選取11m間隔布置9道0.6m厚橫隔板的高墩作為原始模型（模型A）。按照不同的方式對(duì)竹節(jié)進(jìn)行修改，分別按照橫隔板距離是1m和2m的等差設(shè)置，記為模型B和C；此外，竹子是一種下粗上細(xì)的結(jié)構(gòu)，我們討論的高墩結(jié)構(gòu)是近似于等截面的形式，為了研究底部密集，上部逐漸稀疏的方式是否會(huì)更好，分別按1m和2m的等差進(jìn)行設(shè)置，記為模型D和E。只有體積相同才具有可比性，故B、C、D、E四中模型的橫隔板數(shù)量與厚度都與A相同。數(shù)學(xué)模型如圖。

3.有限元軟件分析

3.1 模型建立

選取最高墩28#墩作為建模對(duì)象，建模過(guò)程中采用梁、墩、樁基完成模型。具體而言，模型中變截面箱梁、橋墩、承臺(tái)和樁基采用自定義界面的空間梁?jiǎn)卧狟EAM188建造。主梁、橋墩、承臺(tái)、樁基的彈性模量分別為3.55e10，3.45e10，3e10，3e10，泊松比均為0.1667。模型用LINK10模擬土彈簧，以計(jì)入樁周土層對(duì)樁基的作用。邊界條件為樁底部全約束。單元?jiǎng)澐执旨?xì)得當(dāng)，滿足分析要求。3.2 靜力分析對(duì)比

首先對(duì)不帶隔板的高墩結(jié)構(gòu)與帶橫隔板高墩結(jié)構(gòu)作靜力分析，以便了解橫、縱隔板在結(jié)構(gòu)靜力分析中起到的作用。這里選取不帶隔板的高墩結(jié)構(gòu)與模型A布置（11米間距布置9道0.6米厚橫隔板）作對(duì)比分析。（分析過(guò)程中橫隔板按實(shí)心、未開(kāi)人孔考慮）。

3.2不設(shè)置橫隔板的高墩模型

首先建立不設(shè)置橫隔板的有限元模型通過(guò)與設(shè)置橫隔板的模型形成對(duì)比分析，探究對(duì)橫隔板對(duì)高墩靜力情況的影響。施加風(fēng)力荷載、上部箱梁壓力荷載與結(jié)構(gòu)彎矩進(jìn)行靜力分析

通過(guò)ANSYS軟件對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析對(duì)比可知，增加橫隔板的橋墩結(jié)構(gòu)與不增加橫隔板的橋墩結(jié)構(gòu)的靜力分析結(jié)果相差很小，整位移減小了2.6%，最大應(yīng)力減小了2.6%。因此可知，橫隔板對(duì)結(jié)構(gòu)的橋墩的靜力承載力分析結(jié)果相差無(wú)幾。

3.3 穩(wěn)定性分析對(duì)比

下面針對(duì)第一節(jié)介紹的6種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行屈曲穩(wěn)定性分析，以此說(shuō)明橫隔板的不同布置形式對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的影響。

從分析結(jié)果可以看出，增加橫隔板的結(jié)構(gòu)形式與不增加橫隔板的結(jié)構(gòu)形式對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的影響差距較大。

以第一種布置型式為例，無(wú)橫隔板時(shí)的第一階特征值為7.3305E+08，增加橫隔板后的第一階特征值為8.3457E+08，增加橫隔板之后的結(jié)構(gòu)比不增加橫隔板的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定特征值增加了13.85%，說(shuō)明橫隔板對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性起到較大的增強(qiáng)作用。

無(wú)橫隔板的最后一階特征值為1.5097E+11，增加橫隔板后的最后一階特征值可達(dá)到2.0778E+11，增加橫隔板之后的結(jié)構(gòu)比不增加橫隔板的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定特征值增加了37.63%，說(shuō)明橫隔板對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性起到極大的增強(qiáng)作用。

另外，從分析結(jié)果還可以看出，五種橫隔板的布置型式對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響相差很小，而通過(guò)各種橫隔板布置型式的特征值對(duì)比結(jié)果可知，第六種結(jié)構(gòu)形式的橫隔板布置型式對(duì)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性增強(qiáng)效果最明顯，即為橫隔板的最優(yōu)布置。

參考文獻(xiàn)

[1]鐵道科學(xué)研究院西南研究所.矩形空心橋墩局部穩(wěn)定模型試驗(yàn)報(bào)告.[Z]1975.

[2]管敏鑫.空心橋墩墩壁的局部穩(wěn)定[J].橋梁建設(shè).1988（3）.64-67.

作者簡(jiǎn)介：

田潤(rùn)鵬，1998，漢，男，籍貫：黑龍江哈爾濱，本科，單位：東南大學(xué)，