薄壁高墩连续刚构桥施工状态的稳定性分析

焦战锋 张书博 宋 康

随着交通事业的快速发展，我国的公路交通建设近年来正以前所未有的速度向山区延伸。因地形条件所限，山区进行公路建设通常需要跨越河流、沟谷，致使高桥墩结构的修建日益增多。而预应力混凝土连续刚构桥因其跨越能力大、整体性能强、受力合理、施工方便等优点，受到建设单位及设计者的青睐[1]。为了能有效地减小温度、混凝土收缩徐变以及地震等对结构的影响，要求连续刚构桥顺桥向墩的抗推刚度小。加之高强度材料和先进施工方法的不断出现，预应力混凝土连续刚构桥开始向薄壁、高墩和大跨径趋势发展，而该类结构的稳定问题亦日显突出，甚至有时影响到整个结构的内力作用，桥梁结构的稳定性是关系其安全与经济的主要问题之一，它与强度问题有着同等重要的意义[2]。

1 稳定问题及其求解方法

世界上曾有过不少桥梁因失稳而导致全桥破坏的例子，如加拿大的魁北克(Quebec)桥，我国四川的州河大桥等，而此类失稳事件所造成的损失及影响是重大而长远的。桥梁失稳事故的发生促进了桥梁结构稳定理论与研究的发展。

结构失稳是指结构在外力增加到某一量值时，稳定性平衡状态开始丧失，稍有扰动，结构变形迅速增大，使结构失去正常工作能力的现象[4]。在桥梁结构中，总是要求其保持稳定平衡，也即沿各个方向都是稳定的。建立在大位移非线性理论的基础上结构稳定问题提出了两种形式:第一类稳定是有分支点的如所谓的理想轴压杆的欧拉屈曲问题;第二类稳定是有极值点的失稳问题，实际上结构稳定问题都属于第二类。但第一类稳定问题的力学情况比较明确，在数学上作为求特征值问题也比较容易处理，而它的临界荷载又近似地代表相应的第二类稳定的上限，所以在理论分析中占有重要地位[5]。

对于第一类稳定问题，大量研究所采用的方法是基于能量变分原理的近似法，而有限元法可以看作该法的一种特殊形式。特别是计算机技术迅速发展的今天，越来越多的研究者使用大型有限元通用程序研究大跨连续刚构桥高墩稳定性问题。本文结合某公路跨越山谷的薄壁高墩连续刚构桥，运用有限元程序对其施工阶段最大悬臂状态进行稳定性分析，并对其结果进行了探讨。

2 工程背景及建模

某公路上一座跨越山谷的大桥，其主桥为四跨连续刚构桥，跨径布置为(62+115+115+62)m。上部结构采用C50混凝土，为预应力结构，主梁采用单箱单室箱梁截面，梁宽12 m，墩顶处梁高6.8 m，合龙段梁高2.9 m。下部采用双薄壁空心墩，结构1号桥墩墩高68 m，2号桥墩墩高81 m，3号桥墩墩高57 m，单肢空心墩截面长度为6 m，宽度为3.5 m，采用C40混凝土。薄壁墩与承台固结，承台采用C30混凝土。

运用有限元程序Midas/Civil对该桥建立三维空间有限元模型，建模过程中精确模拟结构的刚度、质量和边界条件。由于下部采用双薄壁墩，且桥墩较高的2号墩(墩高81 m)为全桥的最高墩，是稳定分析的最不利墩。高墩大跨连续刚构桥的稳定性包括高墩自体稳定性、主梁悬浇过程稳定性及全桥稳定性，其中施工最大悬臂状态结构稳定性最差，成为高墩大跨连续刚构桥稳定性控制的关键。本文针对2号桥墩最大悬臂状态进行稳定性分析，其有限元模型如图1所示。

3 高墩最大悬臂状态稳定性分析

3.1 稳定性分析的工况选择

高墩最大悬臂施工状态下稳定性分析计算时一般只采用挂篮荷载、自重荷载以及施工荷载。但考虑到风荷载对结构稳定性的影响较大[6]，对最大悬臂状态的结构采用以下3种工况进行分析:

工况1:自重+挂篮荷载(最后的施工阶段单侧挂篮坠落)+施工堆积荷载+不平衡梁段重+施工误差;

工况2:自重+挂篮荷载(最后的施工阶段单侧挂篮坠落)+施工堆积荷载+不平衡梁段重+施工误差+横桥向风荷载;

工况3:自重+挂篮荷载(最后的施工阶段单侧挂篮坠落)+施工堆积荷载+不平衡梁段重+施工误差+顺桥向风荷载。

施工荷载按主梁上1 kN/m2的方式施加均布力，不平衡梁段重按一个梁段的30%计算，施工误差按单侧悬臂恒载增加5%计算，风荷载采用JTG/D 60-01-2004公路桥梁抗风设计规范中主梁顺、横桥向及桥墩的静风荷载计算方法。

3.2 稳定性分析结果

对结构进行各种工况的分析，结构的屈曲模态特征值、内力响应及位移响应结果见表1，且各工况下2号桥墩最大悬臂状态的失稳模态均发生在顺桥向。

表1 2号墩最大悬臂状态稳定分析结果

由表1中结果数据可见，2号高墩在最大悬臂状态时，各工况下的稳定特征值均大于5，满足规范中结构稳定的要求，说明最不利桥墩在最大悬臂状态下具有足够的稳定安全储备。

由于2号高墩在最大悬臂状态时，各工况下的失稳模态均为顺桥向倾覆，说明桥墩的横向具有足够的刚度。

4 结语

1)以薄壁高墩连续刚构桥为研究对象，在欧拉弹性稳定理论的基础上，利用有限元法对结构最大悬臂状态下的稳定性进行了研究，分析结果表明各工况下结构的施工稳定满足规范要求。2)在连续刚构桥施工阶段，风载不是高墩的控制因素，但它对桥墩内力的影响需要考虑，在施工过程中对结构进行内力计算时需要特别考虑风荷载的作用。3)高墩结构施工状态时的稳定性分析无法精确模拟到其施工状态的状况，因此在施工时，要严格控制结构墩身的垂直度，尽量减少高墩的初始缺陷，以便从根本上保证薄壁高墩连续刚构桥的稳定。

[1] 殷诗峻.薄壁高墩连续刚构桥的稳定性分析[J].公路与汽运，2008(4):148-150.

[2] 马保林.高墩大跨连续刚构桥[M].北京:人民交通出版社，2001.

[3] 龚祥瑞.大跨径连续刚构桥的稳定性分析[J].山西建筑，2009，35(1):313-314.

[4] 唐承平.大跨连续刚构桥高墩稳定问题研究现状[J].四川建筑科学研究，2008，34(6):68-70.

[5] 李国豪.桥梁结构稳定和振动[M].北京:中国铁道出版社，2002.

[6] 何 畅.薄壁高墩连续刚构桥的空间稳定分析[J].公路，2005(11):32-35.