設(shè)計(jì)參數(shù)變化對(duì)懸灌法施工連續(xù)梁橋墩穩(wěn)定性的影響分析

摘要：文章以某懸灌法施工連續(xù)梁橋超高墩穩(wěn)定性為研究對(duì)象，通過(guò)采用Midas Civil有限元軟件建立橋墩數(shù)值模型，針對(duì)不同工況下橋墩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性展開(kāi)了分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性參數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：一階模態(tài)和二階模態(tài)對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起到了控制性作用，其橫向、縱向的穩(wěn)定性分別由二階和一階模態(tài)控制；工況一～工況三作用下橋墩結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要類(lèi)型均為結(jié)構(gòu)縱向穩(wěn)定性，且臨界荷載系數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范要求，處于穩(wěn)定狀態(tài)；溫差增大時(shí)，一階、二階的臨界荷載系數(shù)均減小，溫差作用對(duì)結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性影響較大，對(duì)結(jié)構(gòu)的縱向穩(wěn)定性影響相對(duì)較?。欢崭咴龃髸r(shí)，一階和二階的臨界荷載系數(shù)均減小，墩高變化對(duì)結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性影響較大，對(duì)結(jié)構(gòu)的縱向穩(wěn)定性影響相對(duì)較?。幌啾扔跍夭詈投崭咦兓?，縱向和橫向風(fēng)荷載變化對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響程度非常小，起不到?jīng)Q定性作用。

關(guān)鍵詞：連續(xù)梁橋墩；懸灌法；設(shè)計(jì)參數(shù)；穩(wěn)定性；數(shù)值分析

0引言

連續(xù)梁橋懸灌法施工技術(shù)因具有技術(shù)完善、受峽谷及氣候環(huán)境等影響小，并且所需施工面小，機(jī)械可多次重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于橋梁修筑當(dāng)中［1-2］。但在國(guó)內(nèi)一些環(huán)境復(fù)雜惡劣的地區(qū)，連續(xù)梁橋懸灌法施工方法仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，尤其對(duì)于超高墩，影響更大［3-4］。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者做了相關(guān)研究，張花［5］以某工程為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法，分析了坡度、支座橫向間距和跨徑對(duì)橋梁穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明，坡度增大會(huì)降低橋梁穩(wěn)定性，增大支座橫向間距可以有效提高連續(xù)梁橋的整體穩(wěn)定性，增大跨徑基本對(duì)橋梁的整體穩(wěn)定性無(wú)影響。夏彬等［6］通過(guò)分析得出，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)有限元軟件等多種技術(shù)詳細(xì)分析設(shè)計(jì)參數(shù)與橋梁穩(wěn)定性影響，并根據(jù)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。任超［7］以某連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用ANSYS軟件建立數(shù)值模型，分析了不同參數(shù)變化對(duì)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工過(guò)程穩(wěn)定性影響的規(guī)律及原因。田國(guó)偉［8］以某大橋主橋?yàn)檠芯繉?duì)象，分析了參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)撓度的敏感性影響，并根據(jù)參數(shù)情況對(duì)理論計(jì)算進(jìn)行調(diào)整，使結(jié)構(gòu)的線(xiàn)形和內(nèi)力更加符合橋梁穩(wěn)定性要求。本文主要以某懸灌法施工連續(xù)梁橋超高墩穩(wěn)定性為研究對(duì)象，采用Midas Civil軟件建立橋墩數(shù)值模型，針對(duì)不同工況下橋墩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性展開(kāi)了分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的參數(shù)影響規(guī)律進(jìn)行了研究，研究結(jié)果可為同類(lèi)橋梁工程的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

某山區(qū)擬建大橋梁體為箱梁，總長(zhǎng)度為368 m，采用（64+122×2+64）m布置形式，箱梁的頂板寬度為8.4 m，箱梁的底板寬度為6.2 m，梁高為4.2～8.5 m，橋墩高度為94～116 m。本文以116 m橋墩的超高墩為例，重點(diǎn)研究了在最大懸臂狀態(tài)（懸臂長(zhǎng)度為62 m）與合龍狀態(tài)下橋墩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2 數(shù)值建模

2.1 模型的建立

如圖1所示為采用Midas Civil軟件建立的橋墩模型，模型中橋梁跨度為126 m，兩端各取掉1 m，最終橋墩中心距離懸臂端為62 m，橋墩高度為116 m，整個(gè)“T”型結(jié)構(gòu)一共劃分158個(gè)節(jié)點(diǎn)、155個(gè)單元。

由于箱梁與橋墩分別采用C55、C35強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，因此在模擬計(jì)算過(guò)程中箱梁、墩身及鋼絞線(xiàn)等材料的參數(shù)取值如表1所示。

2.2 工況設(shè)置

本文共設(shè)置3種不同計(jì)算工況。

（1）工況一：結(jié)構(gòu)自重+施工時(shí)掛籃荷載。

（2）工況二：工況一+溫差+縱向風(fēng)荷載。

（3）工況三：工況一+溫差+橫向風(fēng)荷載。

在計(jì)算過(guò)程中風(fēng)荷載按照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJTG/T D60-01-2004）中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，溫差取10℃；掛籃等其它材料自重取值如表2所示。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 不同工況下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

工況一作用下結(jié)構(gòu)一階、二階、三階和四階模態(tài)的臨界荷載系數(shù)和屈曲方向如表3所示。由表3可知，一階模態(tài)和二階模態(tài)是控制結(jié)構(gòu)性穩(wěn)定的主要模態(tài)，而且結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性由二階模態(tài)控制，結(jié)構(gòu)的縱向穩(wěn)定性由一階模態(tài)控制（見(jiàn)圖2）。工況一作用下的一階模態(tài)最小，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要類(lèi)型為結(jié)構(gòu)縱向穩(wěn)定性，按照規(guī)范中縱向和橫向臨界荷載系數(shù)均要＞4.0的規(guī)定可知，該橋墩結(jié)構(gòu)在工況一作用下的穩(wěn)定性滿(mǎn)足規(guī)范要求。

如表4所示給出了工況二、工況三狀態(tài)下的臨界荷載系數(shù)和屈曲方向。由表4可知，結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性由二階模態(tài)控制，結(jié)構(gòu)的縱向穩(wěn)定性由一階模態(tài)控制。工況二和工況三作用下均是一階模態(tài)最小，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要類(lèi)型均為結(jié)構(gòu)縱向穩(wěn)定性，同時(shí)工況二、工況三作用下的臨界荷載系數(shù)均符合現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，即表明橋墩結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

此外，將工況一～工況三的臨界荷載系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析可知，3種工況下，工況二的結(jié)構(gòu)縱向穩(wěn)定性最差，工況三的結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定性最差。但無(wú)論施加縱向風(fēng)荷載或者橫向風(fēng)荷載，其穩(wěn)定性均主要由結(jié)構(gòu)的縱向穩(wěn)定性控制。

3.2 參數(shù)敏感性分析

臨界荷載系數(shù)是反映結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最直接的參數(shù)，本節(jié)主要通過(guò)研究改變溫差、墩高、橫向荷載和豎向荷載變化對(duì)臨界荷載系數(shù)的影響來(lái)反映相關(guān)參數(shù)的敏感性。

超高墩連續(xù)梁橋因墩身高度大、剛度小，非常易受溫差作用影響。如圖3所示，為結(jié)構(gòu)臨界荷載系數(shù)隨溫差變化曲線(xiàn)，取溫差分別為5°、10°、15°、20°和25°進(jìn)行研究分析。由圖3可知，隨著溫差的增大，一階和二階的臨界荷載系數(shù)均減小，相比于溫差為5°時(shí)，溫差分別為10°、15°、20°和25°時(shí)一階臨界荷載系數(shù)依次分別減少了6.8%、12.4%、16.1%和19.9%，對(duì)應(yīng)二階臨界荷載系數(shù)依次分別減少了6.7%、11.9%、21.6%和28.4%，即隨著溫差的增大，一階臨界荷載系數(shù)減小幅度較小，二階臨界荷載系數(shù)減小幅度較大。由此可知，溫差作用對(duì)結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性影響較大，對(duì)結(jié)構(gòu)的縱向穩(wěn)定性影響相對(duì)較小。因此，在溫差較大的地區(qū)進(jìn)行高墩連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮晝夜溫差對(duì)結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性影響，以免溫差作用對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生的不良影響。

隨著墩身設(shè)計(jì)高度的增大，墩身截面積逐漸增大，且墩身高度一直是影響連續(xù)梁橋穩(wěn)定性重要的因素。如下頁(yè)圖4所示，為結(jié)構(gòu)臨界荷載系數(shù)隨墩高變化曲線(xiàn)，取墩高分別為55 m、85 m、115 m、145 m和175 m進(jìn)行研究分析。由圖4可知，隨著墩高的增大，一階和二階的臨界荷載系數(shù)均減小，相比于墩高為55m時(shí)，墩高分別為85 m、115 m、145 m和175 m時(shí)，一階臨界荷載系數(shù)依次分別減少了13.6%、29.3%、62.1%和76.3%，對(duì)應(yīng)二階臨界荷載系數(shù)依次分別減少了17.2%、37.3%、61.5%和76.7%，即隨著墩高的增大，一階臨界荷載系數(shù)減小幅度較小，二階臨界荷載系數(shù)減少幅度較大。由此可知，墩高變化對(duì)結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性影響較大，對(duì)結(jié)構(gòu)的縱向穩(wěn)定性影響相對(duì)較小。

由前節(jié)工況二和工況三可知，風(fēng)荷載會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響，為了分析風(fēng)荷載變化對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性變化規(guī)律，下面主要通過(guò)增大風(fēng)荷載的倍數(shù)來(lái)分析探討。

如圖5所示，為結(jié)構(gòu)臨界荷載系數(shù)隨橫向風(fēng)荷載變化曲線(xiàn)，取原始橫向風(fēng)荷載和橫向風(fēng)荷載分別增大0.5倍、1倍、1.5倍和2倍進(jìn)行研究分析。由圖5可知，隨著橫向風(fēng)荷載的增大，一階和二階的臨界荷載系數(shù)基本保持不變，相比于原始橫向風(fēng)荷載，橫向風(fēng)荷載分別增大0.5倍、1倍、1.5倍和2倍時(shí)一階臨界荷載系數(shù)依次分別減小了0.7%、1.4%、2.1%和2.7%，對(duì)應(yīng)二階臨界荷載系數(shù)依次分別減少了0.6%、1.3%、2.2%和3.4%，即隨著橫向風(fēng)荷載的增大，一階、二階臨界荷載系數(shù)均略微減少，橫向風(fēng)荷載對(duì)橫向穩(wěn)定性的影響略大于對(duì)縱向穩(wěn)定性的影響。

如圖6所示，為結(jié)構(gòu)臨界荷載系數(shù)隨縱向風(fēng)荷載變化曲線(xiàn)，取原始縱向風(fēng)荷載和縱向風(fēng)荷載分別增大0.5倍、1倍、1.5倍和2倍進(jìn)行研究分析。由圖6可知，隨著縱向風(fēng)荷載的增大，一階和二階的臨界荷載系數(shù)基本保持不變，相比于原始縱向風(fēng)荷載，縱向風(fēng)荷載分別增大0.5倍、1倍、1.5倍和2倍時(shí)一階臨界荷載系數(shù)依次分別減小了1.4%、3.5%、5.7%和8.5%，對(duì)應(yīng)二階臨界荷載系數(shù)依次分別減小了0.6%、2.0%、2.9%和4.1%，即隨著縱向風(fēng)荷載的增大，一階、二階臨界荷載系數(shù)均略微減小，縱向風(fēng)荷載對(duì)縱向穩(wěn)定性的影響略大于對(duì)橫向穩(wěn)定性的影響。

通過(guò)將風(fēng)荷載變化與溫差、墩高變化進(jìn)行對(duì)比可知，相比于溫差和墩高變化，縱向和橫向風(fēng)荷載變化對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響程度都非常小，起不到?jīng)Q定性作用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要以某懸灌法施工連續(xù)梁橋超高墩穩(wěn)定性為研究對(duì)象，通過(guò)采用Midas Civil軟件建立橋墩數(shù)值模型，針對(duì)不同工況下橋墩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性展開(kāi)了分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的參數(shù)影響規(guī)律進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

（1）一階模態(tài)和二階模態(tài)對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起到了控制性作用，其中結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性主要由二階模態(tài)控制，結(jié)構(gòu)的縱向穩(wěn)定性則由一階模態(tài)控制。工況一～工況三作用下橋墩結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要類(lèi)型均為結(jié)構(gòu)縱向穩(wěn)定性，且臨界荷載系數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范要求，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）隨著溫差的增大，一階、二階的臨界荷載系數(shù)均減小，溫差作用對(duì)結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性影響較大，對(duì)結(jié)構(gòu)的縱向穩(wěn)定性影響相對(duì)較小。

（3）隨著墩高的增大，一階和二階的臨界荷載系數(shù)均減少，墩高變化對(duì)結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性影響較大，對(duì)結(jié)構(gòu)的縱向穩(wěn)定性影響相對(duì)較小。

（4）相比于溫差和墩高變化，縱向和橫向風(fēng)荷載變化對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響程度非常小，起不到?jīng)Q定性作用。

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作者簡(jiǎn)介：葉羽升（1988—），工程師，主要從事高速公路監(jiān)理、檢測(cè)工作。