大跨雙薄壁實(shí)心墩施工穩(wěn)定性參數(shù)影響分析

孔祥麟

摘要：文章以某大跨雙薄壁實(shí)心墩連續(xù)剛構(gòu)橋工程為例，以施工最大雙懸臂狀態(tài)為研究對(duì)象，選取混凝土強(qiáng)度等級(jí)、墩高、壁厚、橫梁個(gè)數(shù)、不對(duì)稱施工荷載5個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，分析了不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)大跨雙薄壁實(shí)心墩連續(xù)剛構(gòu)橋主墩施工穩(wěn)定性的影響，為大跨雙薄壁實(shí)心墩設(shè)計(jì)與施工提供參考。

關(guān)鍵詞：剛構(gòu)橋;雙肢;薄壁墩;穩(wěn)定性;參數(shù)分析

中國(guó)分類號(hào)：U443.22

0引言

高墩連續(xù)剛構(gòu)橋以其受力合理、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、施工方便等諸多優(yōu)勢(shì)一直受到建設(shè)者與工程師的青睞，尤其在地形復(fù)雜的山區(qū)，更加得到了廣泛應(yīng)用。然而，這類橋型因高墩所帶來的穩(wěn)定問題也十分突出[1-4]。

為探索高墩連續(xù)剛構(gòu)橋施工穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度對(duì)其展開了研究，如鐘文健[5]詳細(xì)分析了橫梁、壁厚對(duì)施工中的高墩大跨剛構(gòu)橋穩(wěn)定性影響，但研究的參數(shù)相對(duì)較少;楊龍等[6]運(yùn)用有限元軟件建立高墩不同階段的三維模型，分析了高墩不同階段的線彈性穩(wěn)定;王宗偉[7]以剛構(gòu)橋施工最大懸臂為研究對(duì)象，分析初始幾何和初始材料缺陷對(duì)主墩穩(wěn)定性的影響，文獻(xiàn)[6-7]研究理論較深，考慮了高墩非線性影響，但對(duì)施工指導(dǎo)意義一般;王凱華等[8]對(duì)比分析了不同形式橋墩對(duì)施工穩(wěn)定性的影響，并提出了提高橋梁穩(wěn)定性的合理建議。除此之外，尚有較多學(xué)者對(duì)高墩連續(xù)剛構(gòu)橋施工穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

綜合不同學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，高墩施工穩(wěn)定問題是一個(gè)受多因素影響的問題，有必要單獨(dú)對(duì)各因素進(jìn)行參數(shù)影響分析，而目前針對(duì)大跨雙薄壁實(shí)心墩剛構(gòu)橋施工穩(wěn)定性影響參數(shù)的研究尚未涉及。因此，本文以某（100+180+100）m大跨雙薄壁實(shí)心墩連續(xù)剛構(gòu)橋工程為背景，選取混凝土強(qiáng)度等級(jí)、墩高、壁厚、橫梁個(gè)數(shù)、不對(duì)稱施工荷載5個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，以施工最大雙懸臂狀態(tài)為研究對(duì)象，分析不同設(shè)計(jì)參數(shù)與主墩穩(wěn)定系數(shù)的變化情況，研究不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)主墩施工穩(wěn)定性的影響，為大跨雙薄壁實(shí)心墩設(shè)計(jì)與施工提供一定的參考與借鑒。

1工程簡(jiǎn)介及原始模型建立

1.1工程簡(jiǎn)介

本橋?yàn)閺V西北部某山區(qū)一座橋跨布置為（100+180+100）m的大跨雙薄壁實(shí)心墩PC連續(xù)剛構(gòu)橋，上部結(jié)構(gòu)主梁為單箱單室箱梁，采用C50混凝土，懸臂現(xiàn)澆施工，其支點(diǎn)與跨中橫斷面如圖1所示。

下部結(jié)構(gòu)采用本文所研究的雙薄壁實(shí)心墩，墩高30 m，橫橋向壁寬8 m，順橋向壁厚1.8 m，雙肢中心間距為7.8 m，墩身采用C40混凝土，基礎(chǔ)均采用樁基礎(chǔ)。

1.2最大雙懸臂原始模型建立

為對(duì)其施工階段穩(wěn)定性進(jìn)行參數(shù)影響分析，采用Midas Civil 2020軟件建立結(jié)構(gòu)最大雙懸臂狀態(tài)有限元模型（如圖2所示），共劃分為110個(gè)梁?jiǎn)卧?13個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2不同強(qiáng)度混凝土對(duì)主墩施工穩(wěn)定性的影響分析

大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋主墩失穩(wěn)一般都是其混凝土被壓碎所致。因此，下文選取主墩C25～C55七組混凝土強(qiáng)度等級(jí)，以施工最大雙懸臂狀態(tài)為研究對(duì)象，分析不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土影響主墩施工穩(wěn)定系數(shù)的變化情況。

經(jīng)計(jì)算，不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的主墩施工穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果及分布如表1、圖3所示。

分析表1及圖3可知，雙薄壁實(shí)心墩最大雙懸臂施工狀態(tài)下其主墩穩(wěn)定系數(shù)隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)增大而增大，且基本呈線性變化，實(shí)際設(shè)計(jì)中，對(duì)于高墩，可適當(dāng)采用較高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土。

3不同墩高對(duì)主墩施工穩(wěn)定性的影響分析

大跨雙薄壁實(shí)心墩剛構(gòu)橋墩高一般為20～60 m，而墩高<20 m一般考慮采用墩頂設(shè)支座的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，其主墩一般較矮，穩(wěn)定問題并不突出。因此，下文分別選取20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、70 m的六組不同墩高，以施工最大雙懸臂狀態(tài)為研究對(duì)象，分析不同墩高對(duì)主墩穩(wěn)定系數(shù)的影響。

經(jīng)計(jì)算，不同墩高的主墩施工穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果及分布如表2及下頁圖4所示。

分析表2及圖4可知，雙薄壁實(shí)心墩最大雙懸臂施工狀態(tài)下其主墩穩(wěn)定系數(shù)隨墩高增大而減小，且減小速率逐漸變緩，最后趨于穩(wěn)定。當(dāng)墩高>60 m，主墩穩(wěn)定系數(shù)已<6，意味著主墩已逐漸趨于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，采用雙薄壁實(shí)心墩剛構(gòu)橋，從設(shè)計(jì)和施工安全角度出發(fā)，建議墩高控制在60 m以內(nèi)，當(dāng)墩高>60 m時(shí)，不宜再采用實(shí)心墩。

4不同壁厚對(duì)主墩施工穩(wěn)定性的影響分析

雙肢薄壁實(shí)心墩壁厚是影響主墩穩(wěn)定的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，下文以單肢壁厚1.8 m為基礎(chǔ)，分別選取1.2 m、1.5 m、1.8 m、2.1 m、2.4 m五組不同壁厚尺寸，以施工最大雙懸臂狀態(tài)為研究對(duì)象，分析不同壁厚對(duì)主墩穩(wěn)定系數(shù)的影響。

經(jīng)計(jì)算，不同壁厚的主墩施工穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果及分布如表3、圖5所示。

分析表3及圖5可知，雙薄壁實(shí)心墩最大雙懸臂施工狀態(tài)下其主墩穩(wěn)定系數(shù)隨壁厚增大而增大，且增大速率逐漸增大，可見雙薄壁實(shí)心墩施工穩(wěn)定性受壁厚影響較大。

5不同橫梁個(gè)數(shù)對(duì)主墩施工穩(wěn)定性的影響分析

對(duì)于雙薄壁實(shí)心高墩，為保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，當(dāng)墩高較高時(shí)，一般在雙肢間設(shè)一定數(shù)量的橫梁，基于前文研究，下文以60 m墩高為例，選取橫梁個(gè)數(shù)0～5根六組數(shù)據(jù)，以施工最大雙懸臂狀態(tài)為研究對(duì)象，分析不同橫梁個(gè)數(shù)對(duì)主墩穩(wěn)定系數(shù)的影響。

經(jīng)計(jì)算，不同橫梁個(gè)數(shù)的60 m主墩施工穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果及分布如表4、圖6所示。

分析表4及圖6可知，在一定墩高范圍內(nèi)，雙薄壁實(shí)心墩最大雙懸臂施工狀態(tài)下其主墩穩(wěn)定系數(shù)隨橫梁個(gè)數(shù)增多而呈線性增大。對(duì)于墩高60 m的雙薄壁實(shí)心墩，當(dāng)橫梁個(gè)數(shù)超過3個(gè)時(shí)，即其橫梁間距<20 m時(shí)，其穩(wěn)定系數(shù)不再增大，可見增加一定數(shù)量橫梁可大大提高雙薄壁實(shí)心墩施工穩(wěn)定性，但增大效果有限，從安全和經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，建議橫梁間距控制在20～30 m。

6不對(duì)稱荷載對(duì)主墩施工穩(wěn)定性的影響分析

對(duì)于大跨雙薄壁實(shí)心墩剛構(gòu)橋，懸澆施工中常出現(xiàn)荷載不對(duì)稱的情況，如懸澆段不同步或掛籃脫落等，這些情況也是影響主墩施工穩(wěn)定性的重要因素。

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650-2020），掛籃與懸澆段的質(zhì)量比宜≤0.5。背景工程最大懸澆段（1 #段）重約2 650 kN，考慮其他一些不對(duì)稱荷載，本文的不對(duì)稱荷載影響分析最大值按1 600 kN控制，即分別選取0 kN、400 kN、800 kN、1 200 kN、1 600 kN五組不對(duì)稱荷載，以施工最大雙懸臂狀態(tài)為研究對(duì)象，荷載加載至懸臂根部，分析不同不對(duì)稱荷載對(duì)主墩穩(wěn)定系數(shù)的影響。

經(jīng)計(jì)算，不同不對(duì)稱荷載下主墩施工穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果及分布如表5、圖7所示。

分析表5及圖7可知，雙薄壁實(shí)心墩在受到不對(duì)稱荷載作用下，其穩(wěn)定系數(shù)有所減小，但減小量相對(duì)較小，且隨著不對(duì)稱荷載的逐漸增大，主墩穩(wěn)定系數(shù)減小甚微。可見，雙薄壁實(shí)心墩施工穩(wěn)定性受不對(duì)稱荷載影響較小，其抗不對(duì)稱荷載失穩(wěn)能力較強(qiáng)。

7結(jié)語

高墩穩(wěn)定問題是大跨雙薄壁實(shí)心墩剛構(gòu)橋施工中的關(guān)鍵問題，本文以背景工程施工最大雙懸臂狀態(tài)為研究對(duì)象，選取了混凝土強(qiáng)度等級(jí)、墩高、壁厚、橫梁個(gè)數(shù)、不對(duì)稱施工荷載5個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，分別分析了不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)主墩施工穩(wěn)定性的影響，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）雙薄壁實(shí)心墩施工穩(wěn)定性與凝土強(qiáng)度等級(jí)呈正相關(guān)，基本呈線性關(guān)系。對(duì)于高墩，可適當(dāng)采用較高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土。

（2）雙薄壁實(shí)心墩施工穩(wěn)定性與墩高呈反相關(guān)，從設(shè)計(jì)和施工安全角度出發(fā)，建議墩高控制在60 m以內(nèi)。

（3）雙薄壁實(shí)心墩施工穩(wěn)定性與壁厚呈強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系，從安全和經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，建議壁厚尺寸不宜過大。

（4）增設(shè)一定數(shù)量的橫梁可大大提高雙薄壁實(shí)心墩施工穩(wěn)定性，但增大效果有限，從安全和經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，建議橫梁間距控制在20～30 m。

（5）雙薄壁實(shí)心墩施工穩(wěn)定性受不對(duì)稱荷載影響較小，其抗不對(duì)稱荷載失穩(wěn)能力較強(qiáng)。

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