日照温差作用下天桥特大桥稳定性分析

黄己伟

（四川建筑职业技术学院 工程管理系，四川 德阳618000）

近年来，随着我国改革开放和西部大开发战略的深入实施，在西部地区新建许多的超高墩大跨度连续刚构桥梁。这些桥梁在施工过程中的稳定性受材料非线性、几何非线性、初始缺陷等因素影响。不少学者在这方面展开了大量的研究，例如，李松研究预应力混凝土组合式T形刚构桥在悬臂施工阶段的非线性稳定性问题。王宗林等以红岭高架桥为工程实例，探讨垂直度对薄壁高墩连续刚构桥稳定性的影响。但对于日照温差影响下超高墩大跨度连续刚构桥稳定性的研究并不多见。

以天桥特大桥工程为背景，利用BEAM188单元采用温度梯度荷载的方式模拟日照温差作用，并在最大悬臂施工阶段和成桥阶段分析稳定性。

1 工程概况

天桥特大桥位于赫章县野妈姑镇天桥村南约2km，两岸桥台位于斜坡上，毕节岸地形相对较陡。桥区附近海拔2 064～1 810.10m，相对高差253.90m，桥轴线通过的地面高程为2 012.20～1 810.00m，相对高差202.20m。桥区地貌类型属溶蚀、低侵蚀山沟谷地貌。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306－2001），赫章至威宁段地震动峰值加速度值为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.40s，场区地震基本烈度Ⅵ度。地下无明显断层通过，基岩较厚，场地总体相对稳定。

天桥特大桥为分幅桥，左幅上部结构:20m预应力空心板＋（7×40m）预应力混凝土T梁＋（106m＋200m＋106m）预应力混凝土箱形梁连续刚构＋（4×40m）预应力混凝土T梁三部分组成。下部结构:主桥桥墩采用薄壁空心墩，嵌岩群桩基础；引桥桥墩采用矩形薄壁空心或圆形实心墩，桩基础；桥台为柱桩式桥台或重力式U型台，桩基础或扩大基础。

右幅上部结构:（8×40m）预应力混凝土T梁＋（106m＋200m＋106m）预应力混凝土箱形梁连续刚构＋（4×40m）预应力混凝土T梁三部分组成。下部结构:主桥桥墩采用薄壁空心墩，嵌岩群桩基础；引桥桥墩采用矩形薄壁空心或圆形实心墩，桩基础；桥台为柱桩式桥台或重力式U型台，桩基础或扩大基础。设计荷载:公路－I级。图1为主桥（右幅）立面。

图1 主桥立面图（右幅）

9#、10#主墩上部采用双薄壁墩，下部采用变截面箱形空心墩，薄壁墩宽8.5m、厚3.5m，横桥向壁厚1.2m，纵桥向壁厚0.8m，墩顶设高4.0m的实心段。9#变截面箱型空心墩墩高105m，双薄壁墩墩高50m，10#变截面箱型空心墩墩高52m，双薄壁墩墩高50m。外侧放坡，坡率为40∶1，墩身采用C50混凝土。

2 有限元模型的建立

2.1 选择有限元程序

ANSYS作为一款大型通用有限元分析软件，因其精确性、便捷性、灵活性以及可扩展性等特点，在结构、流体、电场等分析方面得到广泛应用。软件能进行各种计算分析，包括结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、热分析等。另外，利用APDL语言可以实现自动快速建模的目的。综合考虑，本文选用ANSYS软件进行有限元计算。

2.2 建立有限元模型

用ANSYS分析变截面连续刚构桥，箱型断面模拟有两种，一种用Shell63单元，视箱梁由板壳组成，另一种用Beam单元，视其为梁单元。

由于天桥特大桥主梁为变截面箱梁断面，为真实模拟主梁单元，采用了具有变截面功能的BEAM188单元，同时该单元还可用于材料非线性分析。

天桥特大桥为双幅单向坡桥，ANSYS模拟箱型断面时，改为平坡断面，箱梁高度取为中心高度（按设计图纸换算）。图2和图3所示为跨中和根部断面模型，图4所示为全桥模型。

图2 跨中断面

图3 根部断面

图4 全桥有限元模型

2.3 边界条件

本文未进行动力响应分析，故模型中未记入桩基和承台。为简化处理，直接将墩底固结，两边跨支承处采用刚性竖杆连接。这种方法带来一定的计算误差，总体尚在可接受的范围内。

2.4 材料特性

天桥特大桥主梁采用C55混凝土，桥墩采用C50混凝土，相应的材料特性如表1所示。

表1 天桥特大桥材料性质表

3照温差作用下稳定性分析

3.1 温度场与温度梯度

结构温度应力计算，在已知温度场或温度梯度下的结构力学行为分析，获取结构的温度场或温度梯度需要进行热分析，也可进行热－结构耦合场分析，直接获取结构的力学行为。

本文假定大桥的温度梯度已知，直接开展温度效应分析。

3.2 施加温度梯度

对BEAM188单元，允许温度沿截面高度或宽度变化，对每个端节点输入3个位置的温度，T（0，0）为单元X轴的温度；T（0，0）缺省温度为TUNIF，如其他位置温度为输入第一个温度值；T（1，0）为单元Y轴方向离开X轴单位长度位置的温度；T（0，1）为单元Z轴方向离开X轴单位长度位置的温度。一般地，截面的高度或宽度并不等于单元长度。因此，需要将温度换算到单位长度位置的温度，然后依此数值施加。TREF为参考温度。如果截面上的温度分布表示为

式中:ΔTy，ΔTz分别为Y轴和Z轴方向单位长度的梯度值。单元局部坐标系见图5所示。

图5 单元局部坐标系

则X，Y，Z轴上相应单元的左、右节点温度输入为

式中:W为梁宽，ΔTy为宽度方向温度差，H为梁高，ΔTz为高度方向温度差。

对ANSYS中的BEAM188单元，使用BFE命令施加温度梯度。具体APDL命令流如下:

天桥特大桥9#、10#桥墩上部为8.5m×3.5m的矩形截面，下部则为变宽度截面。根据文献［6］计算时桥墩取10℃的横向相对温差，温度梯度模式采用《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60 2004）中的有关规定。

4 不同施工阶段稳定性分析

桥梁的最大悬臂施工阶段是整个桥梁施工过程中较为危险的阶段之一。利用大型有限元程序ANSYS分析了102m、155m高墩最大悬臂施工阶段和成桥阶段，并计算横桥向和顺桥向的稳定系数。有限元分析计算结果，如表2所示。

表2 稳定系数计算表

4.1 102m高墩最大悬臂阶段（横桥向）

从图6中可以看出，该阶段桥梁为横向失稳，稳定系数为4.93。

4.2 155m高墩最大悬臂阶段（横桥向）

从图7中可以看出，该阶段桥梁为横向失稳，稳定系数为3.52。

4.3 成桥阶段（横桥向）

从图8中可以看出，该阶段桥梁为扭转失稳，稳定系数为3.83。

图6 105m高墩最大悬臂施工阶段有限元分析

图7 155m高墩最大悬臂施工阶段有限元分析

图8 成桥阶段有限元分析

5 结束语

本文研究了在最大悬臂施工阶段和成桥阶段对高墩大跨连续刚构桥的稳定性的影响。从数值分析结果可知，102m最大悬臂施工阶段的稳定性最高，成桥阶段次之；155m最大悬臂施工阶段的稳定性最低，但均在规范许可的范围内。

影响桥梁稳定性的因素众多，本文仅对日照温差作用进行了初步研究。因此，在下一步的研究工作中，应注重考虑各种影响因素的耦合作用对桥梁稳定性的影响。

［1］唐承平.大跨连续刚构桥高墩稳定研究现状［J］.四川建筑科学研究，2008，34（6）:8－11.

［2］李松，强士中，唐英.大跨度预应力混凝土刚构桥施工阶段的稳定性研究［J］.桥梁建设，2005（6）:8－11.

［3］王宗林，张巍，徐亮.温度及垂直度对薄壁高墩连续刚构桥稳定性影响的研究［J］.公路，2007（6）:48－51.

［4］曾庆.超高墩连续刚构桥线形控制技术及其关键问题研［D］.重庆:重庆交通大学，2012.

［5］王菲，田山坡，禚一.高墩大跨连续刚构桥的稳定性分析［J］.铁道工程学报，2012（10）:57－62.

［6］周水兴.天桥特大桥稳定性分析研究报告［D］.重庆:重庆交通大学，2010.

［7］黄炳权.ANSYS在连续刚构桥温度效应分析中的应用［J］.湖 南 城市 学 院 学 报:自 然 科 学 版，2005，14（1）:15－17.