懸灌法施工條件下超高墩連續(xù)梁穩(wěn)定性分析

■田國偉

（永升建設(shè)集團(tuán)有限公司，克拉瑪依 834000）

1 引言

近年來， 隨著國內(nèi)外橋梁施工技術(shù)的不斷完善，懸灌梁施工技術(shù)已逐漸完善，但在一些復(fù)雜惡劣施工工況下，該種施工方法仍存在一定的風(fēng)險和挑戰(zhàn)。 學(xué)者們就此進(jìn)行了相應(yīng)的探討：魯偉等[1]以某復(fù)雜山區(qū)懸灌梁施工為研究對象，對惡劣條件下懸灌梁的施工工藝進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，研究結(jié)果可為類似工程施工提供一些參考；馮麗[2]對現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力大跨度連續(xù)箱梁懸臂法施工中采用鋼管混凝土柱臨時支墩施工的設(shè)施設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討；胡志華[3]以某連續(xù)梁臨時支墩設(shè)計(jì)為研究對象，重點(diǎn)分析采用了鋼管混凝土柱支撐時的穩(wěn)定性，并依據(jù)數(shù)值分析方法對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證分析；張茜[4]對懸灌法施工的連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)0# 塊托架的穩(wěn)定性、安全性進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；李林革[5]以某高墩大跨連續(xù)鋼構(gòu)橋?yàn)檠芯繉ο螅?用有限元軟件作為分析工具，重點(diǎn)分析了其在地震作用下的震動和破壞規(guī)律；叢義營[6]對高墩連續(xù)剛構(gòu)橋懸灌段冬季施工技術(shù)進(jìn)行了保暖措施的優(yōu)化；丁鳳臣[7]以某地區(qū)高墩連續(xù)剛構(gòu)橋梁施工為分析對象， 通過對抽芯模板施工、空心墩垂直施工等關(guān)鍵施工技術(shù)的分析，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，給出了高墩連續(xù)剛構(gòu)橋梁施工工程中的一些方法和建議。 綜上所述，學(xué)者們對不同天氣條件、施工環(huán)境下的懸灌梁的施工工藝都進(jìn)行了一定的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文在此基礎(chǔ)上，以某地區(qū)超高墩懸灌法施工為研究對象， 通過采用大型有限元軟件，重點(diǎn)分析了不同工況下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并對相關(guān)影響參數(shù)進(jìn)行了分析，研究結(jié)果可為類似工程設(shè)計(jì)和施工提供參考和借鑒。

2 工程概況

某大橋采用（64+122×2+64）結(jié)構(gòu)布置形式，梁體為箱梁，長度為368.6 m，梁高在4.6 m～8.8 m，箱梁的頂板和底板寬度分別為8.4 m 和6.0 m。 橋墩高度最短的為96 m，最高的為114 m。 箱梁和橋墩分別采用C55 和C35 的混凝土，本文主要以高度為114 m 超高墩為研究對象，重點(diǎn)分析在最大懸臂狀態(tài)時（此時的懸臂長度為60 m）和合攏狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并分析相關(guān)參數(shù)改變帶來的影響。

3 數(shù)值建模

3.1 模型建立

如圖1 所示， 采用MIDAS 軟件建立有限元模型，箱梁的頂板、底板寬度分別為8.4 m 和6.0 m，橋墩高度為114 m，最大懸臂長度為58 m，整個“T”型結(jié)構(gòu)共劃分為159 個節(jié)點(diǎn)和156 個單元，其中橋墩和箱梁分別為82 個和78 個。橋梁跨度為122 m，兩端各取掉1 m，最終橋墩中心距離懸臂端為60 m（圖1）。 箱梁和橋墩分別采用C55 和C35 的混凝土，箱梁、墩身和鋼絞線的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 超高墩數(shù)值模型圖

表1 超高墩結(jié)構(gòu)物的物理力學(xué)參數(shù)

3.2 工況設(shè)置

如表2 所示， 本文共設(shè)置3 個不同計(jì)算工況，其中工程中采用的掛籃自重約780 kN， 外側(cè)模、底膜、 箱梁內(nèi)膜以及底膜防護(hù)的自重分別為55 kN、130 kN、60 kN、56 kN。 風(fēng)荷載根據(jù)規(guī)范《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG/T D60-01-2004）》進(jìn)行計(jì)算，文中溫差取10℃。

表2 工況設(shè)置

4 不同工況下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

本文首先針對工況一， 對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一階、二階、三階和四階模態(tài)計(jì)算，經(jīng)過計(jì)算可知，一階、二階、 三階和四階下的臨界荷載系數(shù)分別為14.7、55.6、97.4 和146.2，對應(yīng)的屈曲方向依次為縱向、橫向、縱向和橫向。 由此可知，工況一下一階和二階模態(tài)是控制結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要模態(tài)，且結(jié)構(gòu)縱向穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性分別由一階模態(tài)和二階模態(tài)控制，由于一階模態(tài)遠(yuǎn)小于二階模態(tài)，因此，在工況一作用下，該結(jié)構(gòu)主要失穩(wěn)類型是縱向穩(wěn)定性。 圖2 給出了工況一時橫、順橋向的屈曲模態(tài)，規(guī)范規(guī)定縱向和橫向臨界荷載系數(shù)均為4.0，因此，該結(jié)構(gòu)在工況一作用下均滿足規(guī)范要求，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 工況一時屈曲模態(tài)

位移是反映結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定最為直觀和重要的數(shù)據(jù)，工況一時各關(guān)鍵點(diǎn)各方向位移如圖3 所示， 可知懸臂端位移最大，其次是梁頂，最小的在橋墩1/3 處，表明結(jié)構(gòu)越往上穩(wěn)定性越差， 越接近橋墩底部穩(wěn)定性越好，這與工況一所考慮的懸臂掛籃密切相關(guān)。

圖3 工況一時各關(guān)鍵點(diǎn)各方向位移

由于一階和二階模態(tài)是控制結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要模態(tài)，針對工況二，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一階和二階模態(tài)計(jì)算，經(jīng)過計(jì)算可知，一階和二階下的臨界荷載系數(shù)分別為13.8 和53.4，對應(yīng)的屈曲方向依次為縱向和橫向。由此可知，工況二下結(jié)構(gòu)縱向穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性分別由一階模態(tài)和二階模態(tài)控制， 且由于一階模態(tài)遠(yuǎn)小于二階模態(tài)，因此，在工況二作用下，該結(jié)構(gòu)主要失穩(wěn)類型同樣是是縱向穩(wěn)定性。 圖4 給出了工況二時橫、順橋向的屈曲模態(tài)，由于規(guī)范規(guī)定縱向和橫向臨界荷載系數(shù)均4.0，因此該結(jié)構(gòu)在工況二作用下也均滿足規(guī)范要求，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 工況二時屈曲模態(tài)

如圖5 所示，給出了工況二時各關(guān)鍵點(diǎn)各方向位移，由圖可知，在x、y 和z 方向，最大位移出現(xiàn)位置分別在梁頂、 梁頂和懸臂端， 最大位移依次為22.6 mm、100.4 mm 和55.9 mm。 工況二作用下的荷載形式為縱向風(fēng)荷載， 在y 和z 平面內(nèi)出現(xiàn)最大位移，且與工況一對比可知，y 方向位移增大將近20 倍，這表明縱向荷載會對結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

圖5 工況二時各關(guān)鍵點(diǎn)各方向位移

針對工況三，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一階和二階模態(tài)計(jì)算，經(jīng)過計(jì)算可知，一階和二階下的臨界荷載系數(shù)分別為14.5 和52.3，對應(yīng)的屈曲方向依次為縱向和橫向。 由此可知，工況三下結(jié)構(gòu)縱向穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性分別由一階模態(tài)和二階模態(tài)控制，且由于一階模態(tài)遠(yuǎn)小于二階模態(tài)，因此，在工況三作用下，該結(jié)構(gòu)主要失穩(wěn)類型同樣是是縱向穩(wěn)定性。 對比工況一和工況二可知， 縱向臨界荷載最大的工況一，最小的是工況二，即三種工況下，工況二時的結(jié)構(gòu)縱向穩(wěn)定性最差；橫向臨界荷載最大的工況一，最小的是工況三，即三種工況下，工況三時的結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定性最差。 綜上可知，縱向風(fēng)荷載同時對結(jié)構(gòu)橫向和縱向穩(wěn)定性均有較大的影響，也說明了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性主要由結(jié)構(gòu)的縱向穩(wěn)定性控制。 圖6 給出了工況三時橫、順橋向的屈曲模態(tài)，由于規(guī)范規(guī)定縱向和橫向臨界荷載系數(shù)均為4.0， 因此該結(jié)構(gòu)在工況三作用下也均滿足規(guī)范要求，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 工況二時屈曲模態(tài)

如圖7 所示，給出了工況三時各關(guān)鍵點(diǎn)各方向位移，由圖可知，在x、y 和z 方向，最大位移出現(xiàn)位置均在懸臂端，最大位移依次為11.9 mm、201.8 mm和23.4 mm。 工況三作用下的荷載形式為橫向風(fēng)荷載，在y 和z 平面內(nèi)出現(xiàn)最大位移，這表明橫向荷載同樣會會對結(jié)構(gòu)的縱向向穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

圖7 工況三時各關(guān)鍵點(diǎn)各方向位移情況

5 結(jié)論

本文主要以某地區(qū)超高墩懸灌法施工為研究對象，通過采用大型有限元軟件，重點(diǎn)分析了不同工況下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并對相關(guān)參數(shù)的影響進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：（1）通過對結(jié)構(gòu)的一階、二階、三階和四階模態(tài)進(jìn)行計(jì)算，可知，各工況下一階和二階模態(tài)是控制結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要模態(tài)， 且結(jié)構(gòu)縱向穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性分別由一階模態(tài)和二階模態(tài)控制，且由于一階模態(tài)遠(yuǎn)小于二階模態(tài)，結(jié)構(gòu)主要失穩(wěn)類型是縱向穩(wěn)定性。 （2）根據(jù)各關(guān)鍵點(diǎn)位移曲線可知，結(jié)構(gòu)越往上穩(wěn)定性越差，越接近橋墩底部穩(wěn)定性越好，三種工況下，工況二時的結(jié)構(gòu)縱向穩(wěn)定性最差，工況三時的結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定性最差。（3） 縱向風(fēng)荷載同時對結(jié)構(gòu)橫向和縱向穩(wěn)定性均有較大的影響， 也說明了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性主要由結(jié)構(gòu)的縱向穩(wěn)定性控制。 （4）各工況下結(jié)構(gòu)的縱向和橫向臨界荷載系數(shù)均大于4.0， 即結(jié)構(gòu)三種工況作用下均滿足規(guī)范要求，處于穩(wěn)定狀態(tài)。