山區(qū)高墩大跨T構(gòu)橋施工穩(wěn)定性分析

摘要：文章以某山區(qū)高速公路墩高為170 m、跨度為125 m的T構(gòu)橋為研究對象，基于Midas Civil有限元軟件，計算分析了該橋裸墩和最大懸臂施工階段穩(wěn)定性。結(jié)果表明：最大懸臂狀態(tài)穩(wěn)定性最差，雙肢薄壁-箱型組合墩分叉點位置對最大懸臂狀態(tài)穩(wěn)定性的影響較大，建議結(jié)合橋型與橋位特點合理擬定主墩尺寸。

關(guān)鍵詞：高墩大跨T構(gòu)橋；施工過程；穩(wěn)定性分析；最大懸臂狀態(tài)

中圖分類號：U448.23+1 A 35 118 3

0 引言

山區(qū)大跨橋梁常見結(jié)構(gòu)形式有連續(xù)剛構(gòu)橋、T構(gòu)橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋等。一般而言，若主跨＞250 m，結(jié)合橋位地形地質(zhì)情況，大多選擇拱橋、斜拉橋和懸索橋。根據(jù)橋高情況，連續(xù)剛構(gòu)橋主跨大多為100～250 m。近年來，結(jié)合交通運輸部公路長大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)要求及特大跨徑剛構(gòu)橋病害經(jīng)驗總結(jié)，新建連續(xù)剛構(gòu)橋主跨大多≤160 m，以節(jié)約投資和降低結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險。T構(gòu)橋在受力上與連續(xù)剛構(gòu)橋基本相同，跨度介于常規(guī)裝配式橋梁與連續(xù)剛構(gòu)橋之間，是連接常規(guī)裝配式橋梁、常規(guī)裝配式橋梁與路基、路基與路基的重要結(jié)構(gòu)物。T構(gòu)橋橋墩一般較高，墩高往往大于跨度，因此橋墩設(shè)計也是該類橋型的關(guān)鍵。也正是由于墩高較高，裸墩和最大懸臂狀態(tài)可能帶來穩(wěn)定性問題，對該類橋型進(jìn)行施工階段穩(wěn)定性分析至關(guān)重要。

相關(guān)學(xué)者對T構(gòu)橋結(jié)構(gòu)受力與施工過程進(jìn)行了研究。孫九春等［1］基于最大容許控制法和自適應(yīng)控制法分析了大跨連續(xù)梁橋單T構(gòu)懸臂拼裝施工力學(xué)狀態(tài)；瞿景東［2］分析了風(fēng)致動力效應(yīng)及其參數(shù)變化對T構(gòu)橋施工過程的影響；潘久貴等［3］基于Ansys有限元軟件分析了龍橋東江大橋T構(gòu)拆除過程中結(jié)構(gòu)力學(xué)變化；米皓潔等［4］總結(jié)了山區(qū)橋梁設(shè)計經(jīng)驗并重點分析了高墩大跨T構(gòu)橋結(jié)構(gòu)設(shè)計及橋型特點；馬淑芬［5］對T構(gòu)橋轉(zhuǎn)體施工影響參數(shù)及其敏感性進(jìn)行了分析。上述文獻(xiàn)對高墩大跨T構(gòu)橋的分析大多基于施工控制的思路而開展，對施工過程穩(wěn)定性的分析較少。本文結(jié)合具體工程案例，對T構(gòu)橋施工過程穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為類似橋型的設(shè)計與計算提供相關(guān)參考。

1 研究對象

某高速公路采用雙向六車道設(shè)計，地震加速度為0.05 g，上部結(jié)構(gòu)主橋采用125 mT構(gòu)，引橋小樁號側(cè)采用兩聯(lián)3×40 mT梁，橋臺采用重力式橋臺，大樁號側(cè)采用一聯(lián)2×30 mT梁，橋臺采用柱式臺。T構(gòu)主墩采用雙肢薄壁-箱型組合墩，墩高為170 m，小樁號側(cè)交界墩采用空心薄壁墩，墩高為130 m，大樁號側(cè)交界段采用雙柱式矩形實體墩，墩高為9.3 m。主橋T構(gòu)采用單箱單室現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力箱梁，單幅箱梁總寬為16 m，箱梁懸臂長度為4 m，箱梁底寬為8 m，主墩墩頂梁高為13.5 m，交界段處直線段梁高為4.2 m。主橋采用掛籃施工，最大懸臂節(jié)段為31#混凝土，梁底曲線按1.8次拋物線變化，主跨跨中處設(shè)置中橫隔板。主墩及箱梁均采用C50混凝土。主橋橋型布置圖如圖1所示。

該橋主墩較高，橋墩是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點。結(jié)合目前連續(xù)剛構(gòu)及T構(gòu)橋設(shè)計經(jīng)驗，當(dāng)橋高較大時采用雙肢薄壁-箱型組合墩結(jié)構(gòu)，整體受力較好，抗推剛度介于雙肢薄壁墩和空心薄壁墩之間。主墩幾何尺寸如圖2所示。

2 穩(wěn)定性分析原理

橋梁穩(wěn)定性分析一般指彈性穩(wěn)定下的特征值屈曲分析。特征值分析中，以節(jié)點位移向量{U}為變量，在結(jié)構(gòu)彈性剛度矩陣［KE］、幾何剛度矩陣［KG］與節(jié)點荷載向量{P}之間的勢能駐值原理平衡方程式（1）的基礎(chǔ)上，令勢能二階變分為0，可得：

（［KE］+［KG］）{U}={P}（1）

（［KE］+［KG］）{δU}=0（2）

如式（2）成立，則必有剛度矩陣系數(shù)為0，即：

|［KE］+［KG］|=0（3）

式中：［KE］——已知量，因此外荷載即為屈曲荷載；

［KG］——未知量。

山區(qū)高墩大跨T構(gòu)橋施工穩(wěn)定性分析/劉唐艷

為得到屈曲荷載，令外荷載為{P0}，對應(yīng)幾何剛度矩陣為［K0G］，假定結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲失穩(wěn)時外荷載為λ{(lán)P0}，則有［KG］=λ［K0G］成立，此時式（3）可轉(zhuǎn)化為：

|［KE］+λ［K0G］|=0（4）

結(jié)合荷載向量，式（4）可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為特征值方程形式，即：

（［KE］+λi［KG］）{i}=0（5）

式（5）為彈性穩(wěn)定性分析的核心，通過該式可以求解得到第i階振型下的特征值λi和對應(yīng)的特征向量{i}。第i階振型下的屈曲荷載為λi{P0}，采用有限元軟件通過特征值分析可以得到λi和{i}，進(jìn)而確定屈曲模態(tài)。

3 有限元模型

對T構(gòu)橋而言，施工過程是穩(wěn)定性分析的重點。當(dāng)主墩施工完成后，考慮結(jié)構(gòu)自重和風(fēng)荷載影響，對該狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定性分析可直觀判斷主墩設(shè)計的合理性。另外，當(dāng)主梁掛籃施工達(dá)到最大懸臂節(jié)段時，結(jié)構(gòu)自重和風(fēng)荷載也是穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵。本文基于Midas Civil有限元軟件，分別建立了裸墩狀態(tài)和最大懸臂狀態(tài)下穩(wěn)定性分析有限元模型，如圖3所示。

4 施工階段穩(wěn)定性分析

4.1 裸墩狀態(tài)

裸墩狀態(tài)下，雙肢薄壁-箱型組合墩縱橋向剛度小于橫橋向剛度，橋位處基準(zhǔn)風(fēng)速取25 m/s，風(fēng)荷載38 kN/m施加于橋墩縱橋向一側(cè)［6］，C50材料容重取26 kN/m3，取自重和縱橋向風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)組合，得到前4階失穩(wěn)模態(tài)如圖4所示。

由圖4可知，裸墩狀態(tài)下前2階和第4階屈曲模態(tài)為雙肢薄壁墩縱橋向彎曲變形，第3階屈曲模態(tài)為橫橋向彎曲變形。雙肢薄壁處的穩(wěn)定性是主墩屈曲模態(tài)主要組成部分，前4階穩(wěn)定安全系數(shù)分別為22.5、28.6、33.0和83.7，穩(wěn)定性富裕度較大，不存在失穩(wěn)問題。

4.2 最大懸臂狀態(tài)

本次研究的T構(gòu)橋跨度較大，最大懸臂狀態(tài)是穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵。根據(jù)橋梁施工順序，在裸墩狀態(tài)穩(wěn)定性滿足要求的前提下，對T構(gòu)橋最大懸臂進(jìn)行分析，最大懸臂長度為116.75 m，風(fēng)荷載與裸墩狀態(tài)一致。經(jīng)Midas Civil有限元軟件計算分析，得到前4階失穩(wěn)模態(tài)如圖5所示。

計算結(jié)果表明：

（1）最大懸臂狀態(tài)下，前4階穩(wěn)定安全系數(shù)分別為8.8、9.1、45.1和51.8，主要失穩(wěn)形式為縱橋向彎曲失穩(wěn)形式，穩(wěn)定安全系數(shù)＞4，具有一定的安全儲備。同裸墩狀態(tài)相比，最大懸臂狀態(tài)穩(wěn)定安全系數(shù)縮減2.6倍，對T構(gòu)橋進(jìn)行驗算分析時應(yīng)加強最大懸臂狀態(tài)穩(wěn)定性驗算。

（2）第1階、第3階屈曲模態(tài)分別為縱橋向彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形，第2階、第4階屈曲模態(tài)為橫橋向彎曲變形，其中前2階穩(wěn)定安全系數(shù)數(shù)值接近，進(jìn)一步表明雙肢薄壁-箱型組合墩縱橋向和橫橋向穩(wěn)定性能相當(dāng)，在施工過程中應(yīng)同時注意縱橫向橋梁的穩(wěn)定性。

4.3 主墩分叉點影響

通過施工過程穩(wěn)定性分析表明，主墩對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較大，而雙肢薄壁-箱型組合墩較為關(guān)鍵的影響因素為分叉點位置。此處在研究對象雙肢薄壁墩高度h=80 m基礎(chǔ)上，分別分析了最大懸臂狀態(tài)下雙肢薄壁墩高度為20 m、40 m、60 m、100 m、120 m和140 m時前2階穩(wěn)定屈曲模態(tài)，得到了相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)（如圖6所示）。

計算結(jié)果表明：

（1）最大懸臂狀態(tài)下，T構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)隨雙肢薄壁墩高度的變化而變化，當(dāng)雙肢薄壁墩高度從20 m增加到140 m時，第1階穩(wěn)定安全系數(shù)先緩慢增大，然后迅速減小，第2階穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸減小。

（2）當(dāng)雙肢薄壁墩高度＜80 m時，第1階失穩(wěn)模態(tài)為橫橋向彎曲變形，第2階失穩(wěn)模態(tài)為縱橋向彎曲變形，當(dāng)雙肢薄壁墩高度＞80 m時，模態(tài)特征正好相反，且隨著高度的增加，穩(wěn)定安全系數(shù)下降較快。

5 結(jié)語

本文基于Midas Civil有限元軟件，分析了某山區(qū)高速公路125 mT構(gòu)橋施工階段的穩(wěn)定性，得出主要結(jié)論如下：

（1）施工階段穩(wěn)定性受最大懸臂狀態(tài)控制，穩(wěn)定安全系數(shù)明顯小于裸墩狀態(tài)，因此對最大懸臂狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定性分析至關(guān)重要。

（2）雙肢薄壁-箱型組合墩隨雙肢薄壁墩高度的增大，最大懸臂狀態(tài)T構(gòu)橋屈曲失穩(wěn)方向?qū)l(fā)生改變，對于此類型橋墩而言，在主墩尺寸參數(shù)選擇合理的基礎(chǔ)上，建議將雙肢薄壁墩高度控制為＜80 m，以確保施工階段具有較好的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

［1］孫九春，薛武強，曹 虹.大跨連續(xù)梁橋單T構(gòu)懸臂拼裝施工力學(xué)狀態(tài)控制技術(shù)［J］.橋梁建設(shè)，2022，52（4）：125-132.

［2］瞿景東.風(fēng)致動力效應(yīng)對T構(gòu)橋梁轉(zhuǎn)體施工的影響研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2018.

［3］潘久貴，顏全勝，鄧洪鈞.龍橋東江大橋T構(gòu)拆除施工技術(shù)［J］.科技通報，2021，37（10）：71-77.

［4］米皓潔，徐明遠(yuǎn).淺談山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計［J］.黑龍江交通科技，2011，34（10）：208-209.

［5］馬淑芬.大跨度轉(zhuǎn)體施工T構(gòu)橋參數(shù)敏感性分析［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2014.

［6］JTG/T 3360-01-2018，公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范［S］.

收稿日期：2023-01-20