山區(qū)大跨度高墩連續(xù)剛構(gòu)橋穩(wěn)定性影響參數(shù)分析

韋小飛

(廣西長興工程建設(shè)有限公司，廣西 南寧 530000)

伴隨我們國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)飛速發(fā)展，對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資越來越大，特別是高速公路的建設(shè)越來越多，目前高速公路建設(shè)逐漸從平原微丘陵地區(qū)向山區(qū)峽谷區(qū)域發(fā)展，而大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋因其受力合理、外形優(yōu)美且施工方便廣泛應(yīng)用于山區(qū)峽谷中[1,2]。但山區(qū)大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的橋墩因地勢原因通常比較高，由此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題突出[3,4]。因此穩(wěn)定性是山區(qū)大跨度橋梁設(shè)計(jì)和施工必不可少的考慮因素，為確保山區(qū)大跨度高墩連續(xù)剛構(gòu)橋施工以及成橋階段的穩(wěn)定性，本文根據(jù)山區(qū)高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔ㄟ^數(shù)值分析軟件對(duì)全橋?qū)嶋H工程情況進(jìn)行全過程模擬，采用特征值分析法對(duì)結(jié)構(gòu)空間穩(wěn)定性進(jìn)行研究，選取可能發(fā)生并會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)產(chǎn)生較大影響的結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)施工控制經(jīng)驗(yàn)確定各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化范圍[5]。在其他參數(shù)不變的前提下，選取墩高與壁厚、系梁的設(shè)置、高墩雙肢間距、混凝土橋墩等影響參數(shù)，分析其對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋空間穩(wěn)定性的影響程度，為同類橋梁設(shè)計(jì)及施工提供借鑒參考[6,7]。

1 工程概況

貴州湄余高速公路一座大跨度高墩連續(xù)剛構(gòu)橋，全橋共兩聯(lián)：(90+160+90)m；大橋設(shè)計(jì)車速為80 km/h，上下行雙向四車道，半幅橋面寬為0.5 m(SA級(jí)防撞護(hù)欄)+凈11.125 m(行車道)+0.5 m(SA級(jí)防撞護(hù)欄)，整幅橋?qū)?4.5 m。橋梁縱面位于R=60 000 m的豎曲線上。主梁截面為單箱單室截面，箱梁截面頂板寬12.125 m，下底板寬度為6.5 m，左右兩側(cè)翼緣板長度為2.812 5 m。懸臂根部主梁高度為9 m，跨中斷面主梁寬度為3.5 m。梁高按1.8次拋物線的形式進(jìn)行變化。

2 有限元模型與參數(shù)的選取

2.1 結(jié)構(gòu)有限元模型建立

利用數(shù)值分析軟件建立全橋三維有限元模型。力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，取決于是否能夠?qū)蛄簩?shí)際情況能夠進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，決定著橋梁結(jié)構(gòu)所得分析結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。主橋上部結(jié)構(gòu)以及橋墩采用梁單元進(jìn)行模擬，上部結(jié)構(gòu)與橋墩進(jìn)行剛性連接，對(duì)墩底進(jìn)行全部約束。

2.2 參數(shù)的選取

其他條件不變的前提下，計(jì)算時(shí)僅改變單一參數(shù)，選取墩高與壁厚、系梁的設(shè)置、高墩雙肢間距等影響參數(shù)，分析其對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋空間穩(wěn)定性的影響程度。

3 穩(wěn)定性參數(shù)影響分析

3.1 墩高與壁厚

山區(qū)大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋通常因地勢條件而采用高墩形式，因此通過調(diào)整墩的高度和壁厚來分析連續(xù)剛構(gòu)橋穩(wěn)定性能。本文依托工程背景橋梁采用的是雙肢薄壁橋墩，其橋墩是等截面。其他情況不變的前提下，分別取雙肢薄壁墩壁厚為45、60和75 cm，對(duì)應(yīng)橋墩高度分別為50、60、70、80、90、100、110、120、130和140 m，分析不同墩高與壁厚的橋梁結(jié)構(gòu)的空間穩(wěn)定系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見圖1和圖2所示。

圖1 最大懸臂施工階段穩(wěn)定性系數(shù)隨墩高變化圖

圖2 成橋階段穩(wěn)定性系數(shù)隨墩高變化圖

由圖1和圖2可以看出，伴隨著橋墩高度不斷增加，連續(xù)剛構(gòu)橋的穩(wěn)定性系數(shù)也隨之變小，并且變化趨勢類似成對(duì)數(shù)函數(shù)變化趨勢，而橋墩高度相同時(shí)，改變雙肢薄壁的厚度對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響很小，其中在最大懸臂施工階段，當(dāng)橋墩墩高為80 m時(shí)，雙肢薄壁墩的厚度從45 cm增加到75 cm時(shí)，其穩(wěn)定性系數(shù)從8.39提升到9.18，下降幅度為9.4%；在成橋階段，當(dāng)墩高為90 m時(shí)，雙肢薄壁墩的厚度從45 cm增加到75 cm時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)從18.65提升到20.51，變化幅度為9.9%。由此說明雙肢薄壁墩的厚度的改變對(duì)穩(wěn)定性系數(shù)的影響很小，主要原因在于平行于轉(zhuǎn)軸方向的壁厚變化對(duì)橋墩墩柱的長細(xì)比不產(chǎn)生影響。綜上可知，橋墩高度對(duì)山區(qū)連續(xù)剛構(gòu)橋穩(wěn)定性能的影響程度遠(yuǎn)大于雙肢薄壁墩的厚度對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能的影響。

3.2 雙肢間距

雙肢薄壁墩間距對(duì)于連續(xù)剛構(gòu)橋的穩(wěn)定性也有所影響，保持其他參數(shù)不變，通過改變雙肢間距分析結(jié)構(gòu)的空間穩(wěn)定性，結(jié)合工程實(shí)踐情況取雙肢間距分別為5 m、6 m、7 m、8 m以及9 m時(shí)對(duì)最大懸臂施工階段以及成橋階段結(jié)構(gòu)的空間穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果如圖3和4所示。

圖3 不同雙肢間距最大懸臂施工階段1階穩(wěn)定性系數(shù)

如上述圖3和圖4所示，比較5種薄壁墩雙肢間距方案下的連續(xù)剛構(gòu)橋1階穩(wěn)定性系數(shù)相對(duì)變化規(guī)律可知，不管是結(jié)構(gòu)處于最大懸臂施工階段還是成橋階段，隨著雙肢間距的變大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能逐漸下降，但是下降程度較小。其中當(dāng)結(jié)構(gòu)處在最大懸臂施工階段時(shí)，薄壁墩雙肢間距為9 m時(shí)結(jié)構(gòu)的1階穩(wěn)定性系數(shù)是最小的，相較于間距為5 m時(shí)結(jié)構(gòu)1穩(wěn)定性系數(shù)僅降低了1.58%；當(dāng)結(jié)構(gòu)處在成橋階段時(shí)，同樣薄壁墩雙肢間距為9 m時(shí)結(jié)構(gòu)的1階穩(wěn)定性系數(shù)也是最小的，相較于間距為5 m時(shí)結(jié)構(gòu)1穩(wěn)定性系數(shù)僅降低了5.22%；綜上由此可知，連續(xù)剛構(gòu)橋最大懸臂施工階段以及成橋階段穩(wěn)定性系數(shù)伴隨薄壁墩雙肢間距增加而下降的，但下降程度較小，因此這一問題在高墩連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)施工中值得注意。

圖4 不同雙肢間距成橋階段1階穩(wěn)定性系數(shù)

3.4 混凝土強(qiáng)度等級(jí)

混凝土強(qiáng)度等級(jí)的不同對(duì)結(jié)構(gòu)的受力特性影響較大，因此考慮施工過程中混凝土施工的時(shí)候因水灰比沒有達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)而造成混凝土強(qiáng)度，亦或是混凝土施工過程中出現(xiàn)雜物或材料質(zhì)量不過關(guān)等造成強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致橋梁建成后其混凝土強(qiáng)度普遍達(dá)不到強(qiáng)度等級(jí)要求的強(qiáng)度。因此針對(duì)這種特殊情況，結(jié)合工程實(shí)踐，本文選取C30、C35、C40、C45、C50、C55以及C60七種強(qiáng)度等級(jí)對(duì)最大懸臂施工階段以及成橋階段結(jié)構(gòu)的空間穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)最大懸臂施工階段1階穩(wěn)定性系數(shù)

圖6 不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)成橋階段1階穩(wěn)定性系數(shù)

如圖5和圖6所示，比較7種不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)的連續(xù)剛構(gòu)橋1階穩(wěn)定性系數(shù)相對(duì)變化規(guī)律可知，不管是結(jié)構(gòu)處于最大懸臂施工階段還是成橋階段，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能明顯得到改善。其中當(dāng)結(jié)構(gòu)處在最大懸臂施工階段時(shí)，采用C60混凝土?xí)r結(jié)構(gòu)的1階穩(wěn)定性系數(shù)是最大的，相較于混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30時(shí)結(jié)構(gòu)1穩(wěn)定性系數(shù)僅提高了19.36%；當(dāng)結(jié)構(gòu)處在成橋階段時(shí)，同樣采用C60混凝土?xí)r結(jié)構(gòu)的1階穩(wěn)定性系數(shù)也是最小的，相較于混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30時(shí)結(jié)構(gòu)1穩(wěn)定性系數(shù)提高了40.95%；由此可知，連續(xù)剛構(gòu)橋最大懸臂施工階段以及成橋階段穩(wěn)定性系數(shù)隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高而增大，因此在施工過程中應(yīng)注意混凝土施工的質(zhì)量，確保高墩連續(xù)剛構(gòu)橋安全穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

(1)伴隨著橋墩高度不斷增加，連續(xù)剛構(gòu)橋的穩(wěn)定性系數(shù)也隨之變小，并且變化趨勢類似成對(duì)數(shù)函數(shù)變化趨勢，而橋墩高度相同時(shí)，改變雙肢薄壁的厚度對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響很小，主要原因在于平行于轉(zhuǎn)軸方向的壁厚變化對(duì)橋墩墩柱的長細(xì)比不產(chǎn)生影響，因此橋墩高度對(duì)山區(qū)連續(xù)剛構(gòu)橋穩(wěn)定性能的影響程度遠(yuǎn)大于雙肢薄壁墩的厚度對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能的影響。

(2)連續(xù)剛構(gòu)橋最大懸臂施工階段以及成橋階段穩(wěn)定性系數(shù)伴隨薄壁墩雙肢間距增加而下降的，但下降程度較小，因此這一問題在高墩連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)施工中值得注意。

(3)不管是結(jié)構(gòu)處于最大懸臂施工階段還是成橋階段，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能明顯得到改善，因此在施工過程中應(yīng)注意混凝土施工的質(zhì)量，確保高墩連續(xù)剛構(gòu)橋安全穩(wěn)定性。