系梁對陡坡段樁柱式橋墩屈曲穩(wěn)定性的影響分析

許國龍

（新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

一、引言

我國中西部地區(qū)多為山嶺重丘區(qū)，高等級公路受地形、地質條件和線路平、縱、橫指標限制，部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境特別脆弱。為了保護脆弱的自然生態(tài)環(huán)境和有限的耕地資源，避免高填深挖，當路線穿過特別復雜的地形時，不得不沿著陡坡采用全高架或半路半橋的結構形式，因此在中西部高等級公路建設中，橋梁的總造價一般超過了整條公路總投資的30%。位于陡坡上的公路橋梁，下部結構常采用樁柱式橋墩，樁柱式橋墩一般有兩種施工方法：一種是采用模板施工，另外一種是采用腳手架施工，對于地形復雜的山區(qū)而言一般采用模板施工。對樁柱式高墩，設置柱間系梁，可改善橋梁下部結構受力，施工卻存在很大困難。

目前，國內系梁對陡坡段樁柱式橋墩屈曲穩(wěn)定性的研究比較少，但系梁對陡坡段樁柱式橋墩屈曲穩(wěn)定性具有十分重要的影響，是目前行業(yè)內山區(qū)橋梁設計中亟待解決的問題。本文分析研究了G0711烏魯木齊至尉犁段高速公路中位于陡坡路段的樁柱式高墩，總結了系梁對位于陡坡路段樁柱式橋墩屈曲穩(wěn)定性的影響。

二、工程概況

G0711烏魯木齊至尉犁段高速公路某橋橋墩兩側地面坡率大于1：1.25，屬于陡坡路段。該橋主梁為預應力鋼筋混凝土簡支T梁橋，主跨為2×30m，橋面寬12.75m。下部結構采用雙圓柱形樁柱式橋墩，材料為C40混凝土，墩高23.8m，墩徑1.7m，沿墩高方向設置兩道系梁，系梁尺寸為1.5m×1.2m，蓋梁順橋向尺寸為2.4m，橫橋向尺寸為12.35m。樁基采用強度等級為C30的混凝土，施工工藝為鉆孔灌注樁，單樁軸向受壓承載力Ra按摩擦樁計算，樁徑1.8m，樁長取20m。地震加速度為0.15g，地震設防烈度為8度，場地類別為Ⅰ類。樁側土層由樁頂至樁底為：第一層土為約2m厚的圓礫土，第二層土為約10m厚的卵石土，第三層土為約6m厚的強風化砂巖，第三層土為約4m厚的強風化泥質砂巖。土層建議力學參數(shù)為：圓礫土，卵石土，強風化泥質砂巖強風化砂巖

三、確定邊界條件

樁基埋入土體中，樁側各層土的力學性質不盡相同，所以墩柱屈曲穩(wěn)定性受諸多不確定性因素影響。以往對樁柱式橋墩屈曲穩(wěn)定性的研究，一般都是將橋墩和樁基分別考慮，計算墩柱與蓋梁時，將每根樁基截取一定的長度直接固結于底部的等效基礎，不計入樁基礎對結構的作用，樁基也直接按承受軸向荷載的結構計算，這種方法不夠合理，一是因為橋墩和樁基都具有一定的柔度，二是因為陡坡的存在，陡坡段樁位處往往有一定厚度的上覆土層或強風化巖層，樁周土體在鉆孔施工的過程中，由于受施工機械的擾動，導致邊坡原有的平衡狀態(tài)遭到破壞，使陡坡產(chǎn)生變形或滑移，此時樁基不僅僅是承受上部結構傳遞下來的豎向荷載，同時也會承受陡坡產(chǎn)生的橫向荷載，這種情況下承載特性異常復雜?？偠灾?，陡坡段樁基受到的荷載可分為三類：第一類是樁頂?shù)妮S向荷載、水平荷載以及偏心軸向荷載產(chǎn)生的彎矩，第二類是樁周坡體由于擾動產(chǎn)生的剩余下滑力，第三類是地基產(chǎn)生的抗力。

樁土邊界條件采用土彈簧模擬樁與土的相互作用，真實模擬樁基礎。土彈簧的系數(shù)由m法計算所得，m取自《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》（JTG 3363-2019）附錄L中的表P.0.2-1，由于規(guī)范提供的取值范圍比較大，本文結合地質報告中對各土層的物理力學參數(shù)描述，選取中下值，同一土層的m值隨也深度的增加而增大。本文利用土彈簧系數(shù)建立考慮樁土效應的Midas civil墩柱有限元模型，施加邊界條件的方法如下：首先將樁基礎離散為1m一個單元，再將樁周土層按照實際地質情況進行分層，然后輸入每個節(jié)點的土彈簧水平剛度系數(shù)，由土彈簧水平剛度系數(shù)聯(lián)立式（1）和式（2）解得。該工程背景的土彈簧水平剛度系數(shù)求解過程如表1所示。

式（1）中，mn為第n層土的地基抗力系數(shù)的比例系數(shù)；zn為第n層土底面到地面的深度；hn為第n層土的厚度；b1為單樁的計算寬度。式（2）中，為形狀換算系數(shù)，圓形樁取值為0.9，矩形樁取值為1；b為垂直于水平力作用方向的樁寬度。

四、樁柱式橋墩臨界荷載系數(shù)及失穩(wěn)模態(tài)比較

建立橋墩梁單元模型，輸入主梁傳遞下來的荷載，并且模擬樁土邊界條件，計算結果如表2所示。

由表2可知，有無柱間系梁時，縱向最小屈曲臨界荷載系數(shù)2.7，均出現(xiàn)在第一模態(tài)；有柱間系梁時，橫橋向最小屈曲臨界荷載系數(shù)31.3，出現(xiàn)在第三階模態(tài)；無柱間系梁時，橫橋向最小屈曲臨界荷載系數(shù)11.8，出現(xiàn)在第二階模態(tài)，橫橋向屈服時，均略帶扭轉，但臨界荷載系數(shù)較大，對結構安全無影響。

表1 本工程背景的土彈簧水平剛度系數(shù)求解過程

表2 臨界荷載系數(shù)及失穩(wěn)模態(tài)比較表

五、結語

綜上所示，有無柱間系梁，橋墩第一階屈曲臨界荷載系數(shù)相同，屈曲模態(tài)相同，表明系梁對初始結構屈曲臨界荷載無影響；設置柱間系梁，可延遲陡坡段樁柱式橋墩橫橋向屈服。