连续刚构桥悬臂状态稳定性分析

马嵩 何楠

大跨度连续刚构桥因其外形美观、轻巧,桥下行车视线佳,桥面行车平顺等优点成为目前全国各地广泛修建的桥型之一。大跨连续刚构桥的桥墩通常采用高墩形式,而对于这种高墩大跨结构自身、桥梁最大悬臂施工阶段及成桥使用阶段的静力稳定性进行分析显得尤为重要。失稳破坏是一种突然破坏,人们没有办法发觉及采取补救措施,所以其导致的结果往往比较严重,正因为此,在实际工程中不允许结构发生失稳破坏[1]。大跨度连续刚构桥在高桥墩悬臂施工过程中,由于施工或基础变形导致的高墩倾斜,将会对结构受力及稳定有很大的影响[2],有必要对悬臂状态时连续刚构桥的稳定性进行深入研究。

1 稳定问题及其求解方法

受施工误差以及环境变化等多种不确定因素的影响,最不利单墩难免存在初始缺陷,再加上大跨、高墩连续刚构所具有的几何非线性、材料非线性以及混凝土材料的压碎、开裂、骨料咬合效应等因素的影响,在逐级增加的荷载作用下,结构荷载易超过临界荷载发生失稳破坏。

稳定问题可以分为第一类稳定问题和第二类稳定问题。第一类稳定问题是结构达到临界荷载时,除了原来的平衡状态外,还会出现另外的平衡状态[3]。第二类稳定问题是结构保持一个平衡状态,随着荷载的增加,在应力比较大的区域出现塑性变形,结构的变形不断增大。当荷载达到一定的数值时,即使不再增加,结构变形也迅速增加从而导致结构破坏。第一类稳定问题和第二类稳定问题有着良好的相关性,其解往往代表着第二类稳定问题的上限。工程中通常以第一类稳定问题的计算结果作为设计的依据。

现今,大量研究所采用基于能量变分原理的有限元法来研究大跨连续刚构桥高墩稳定性问题。本文对某高墩连续刚构桥的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 工程实例

某三跨连续刚构桥,跨径布置为60 m+100 m+60 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6.5 m,合龙段梁高2.8 m。下部结构采用C40混凝土,结构左墩墩高44 m,右墩墩高42 m。薄壁墩与承台固结,承台采用C30混凝土。本计算不考虑桩基础对结构稳定性的影响,因此采用承台与基础固结的形式表示其边界。

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。由于本桥的左墩相对较高,稳定性分析中将其定义为最不利墩,对其进行稳定性分析。

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需要考虑挂篮荷载、自重荷载以及施工荷载,还需考虑到风荷载对结构稳定性的影响,因此采用以下3种工况进行分析:

工况1:自重+挂篮荷载+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+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+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1kN/m2的方式施加均布力。正在浇筑的一个节段与最后一个节段完成时结构处于最大悬臂状态,悬臂两侧自重的不均匀分布,按两侧差5%考虑。最后一个节段施工时,两侧进度不同引起的自重差值,按最后一个块件的40%考虑。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,且各工况下左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中结果可见,在最大悬臂状态时,左墩在各工况下的稳定特征值均远大于5,满足规范中对结构稳定性的要求,说明最不利桥墩在最大悬臂状态下不会发生失稳破坏。桥墩在最大悬臂状态时,各工况下的失稳模态均为横桥向倾覆,说明桥墩顺桥向具有足够的刚度。

4 结论及建议

1)利用有限元法对连续刚构桥最大悬臂状态下的稳定性进行了详细的分析研究,分析结果表明各工况下结构的施工稳定性满足规范要求。2)由各工况下的分析结果对比发现,在连续刚构桥施工阶段,风载对高墩稳定性的影响不大,但却对桥墩内力有较大的影响。3)受施工误差以及环境变化等多种不确定因素的影响,结构的实际施工状况与计算状况有所不同,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,以便从根本上保证结构的稳定性。

[1] 沈跃辉.大跨连续刚构桥薄壁高墩施工稳定性研究[J].四川建筑,2007(6):116-117.

[2] 陈 浩.大跨高墩连续刚构桥的稳定性分析[D].成都:西南交通大学,2004.

[3] 马保林.高墩大跨连续刚构桥[M].北京:人民交通出版社,2001.

[4] 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.

[5] 李国豪.桥梁结构稳定和振动[M].北京:中国铁道出版社,2002.