横系梁对双肢薄壁墩连续刚构桥稳定性影响分析

陶甫先,刘虎城,刘冠冲

(长安大学公路学院,陕西 西安 710064)



横系梁对双肢薄壁墩连续刚构桥稳定性影响分析

陶甫先,刘虎城,刘冠冲

(长安大学公路学院,陕西 西安 710064)

连续刚构桥较多采用双肢薄壁墩，而双肢薄壁墩的纵向刚度偏小，稳定性较差。在设计中可通过设置横系梁的方式来改善桥墩的纵向刚度。为得到最合理的横系梁设置方案，采用空间有限元软件MIDAS CIVIL建立有限元模型，从施工和成桥两个阶段分析横系梁的设置数量及设置位置对双肢薄壁墩稳定性的影响，总结出系梁合理设置数量及位置，对同类桥梁横系梁的设置提供参考。

连续刚构桥；双肢薄壁墩；横系梁；稳定性

连续刚构桥是一种比较适合大跨度设计的桥型，技术成熟，在我国已经有了广泛的应用。目前，在国内，大跨高墩的连续刚构桥主要分布在沿河地区和山区峡谷地段。连续刚构属于超静定结构，由于混凝土收缩徐变、温度效应及活荷载等使得上部结构产生较大内力和变形，在墩顶会产生较大的水平位移，为了顺应这种较大的变形，需要设置柔性桥墩来适应桥梁变形。故双肢薄壁墩成为连续刚构桥经常采用的一种桥墩形式。而双肢薄壁墩的刚度小，柔性大，桥墩在竖向力和水平力的作用下，有可能出现失稳的现象。因而对于双肢薄壁墩的连续刚构桥来说，墩的稳定性成为影响结构安全性的一个重要指标。增大桥墩的刚度可以通过增大横截面面积以及增加材料强度的方式来实现，然而这样做是不经济的。所以，合理设置墩间横系梁就成为增强双肢薄壁墩刚度的最佳措施。本文基于一座在建桥梁，从横系梁的设置数量、位置两方面入手，仔细分析在施工阶段的最不利荷载状况和成桥阶段两个工况下，横系梁对双肢薄壁墩稳定性影响[1-6]。

1 工程概况

某大桥位于云南的一条省道上，为跨沟桥。主桥为PC连续T型刚构，跨径组成为(100+180+100)m,对称结构，主桥总长为380 m，桥面宽12 m，箱梁采用1.6次抛物线从跨中3.5 m渐变至梁墩固结处11 m，采用C55混凝土。桥墩采用双肢薄壁墩，两墩高为105 m,采用C50混凝土，该桥的立面图如图1所示,截面形状如图2所示。

2 计算模型

采用midas civil 2012建立空间有限元模型对该大桥进行模拟。其模型如图3所示，全桥共划分222个节点，218个单元，采用梁单元。墩底采用一般支承，约束3个方面的位移和转角，墩梁采用弹性连接中的刚性连接。结构组30个，边界组7个，荷载组78个，钢束组6个，成桥阶段总共张拉276束预应力钢束。考虑材料的收缩和徐变。

图1 某桥立面图

图2 桥墩剖面图

图3 某桥mdias模型

图4 施工阶段最不利工况荷载作用位置示意图

3 施工阶段及成桥阶段分析

3.1 施工阶段最大悬臂分析

在施工阶段，最不利荷载组合情况应该是在合拢前最大悬臂阶段。主要考虑的荷载有恒荷载(包括结构自重、钢束预应力)、不平衡荷载、风荷载、收缩徐变、温度效应。其它作用在此不作考虑[7]。

施工阶段最不利荷载工况：恒荷载+不平衡荷载+风荷载

荷载参考值均取自《公路桥涵设计通用规范》。荷载作用位置(自重除外)如图4所示，其中：

(1)桥墩横向风荷载q0=9 kN/m；

(2)主梁浇筑不平衡导致一端的自重偏大，按5%计算，q1=12.4 kN/m；

(3)主梁施工时期一端的堆载q2=9 kN/m；

(4)一端挂篮跌落导致的不利荷载(集中力，分项系数取1.2)q3=1 250 kN。

3.2 成桥阶段分析

成桥阶段，主要考虑的荷载有：恒荷载(包括结构自重、钢筋预应力、二期铺装)、温度效应、风荷载以及活载[8-10]。

成桥阶段最不利荷载工况为：恒荷载+温度荷载+风荷载+活载+制动力。

其中，二期铺装取85 kN/m，温度荷载取整体升温降温(升温20 ℃，降温20 ℃)，桥面温度梯度按规范考虑，活载(只考虑汽车荷载)按规范的公路-Ⅰ级荷载取值，由于是双车道，均布荷载为2×qk=10.5×2=21 kN/m，集中荷载取2×Pk=720 kN，制动力经计算为640 kN。

4 计算结果

4.1 系梁数量对稳定性影响分析

为了研究系梁数量对稳定性的影响，分别给双肢薄壁墩等间距设置0、1、2、3道横系梁，计算其特征系数。在施工阶段最大悬臂，计算屈曲特征值如表1所示。

表1 最大悬臂阶段横系梁数目与特征值系数关系

可以看出在最大悬臂阶段下，无横系梁的双肢薄壁墩的特征值系数只有9.42，而加了1道横系梁之后稳定性有了明显的提升，比无系梁的双肢薄壁墩提高约68%,相比之下，在加2道横系梁后，特征值系数大约只比加1道横梁提高约9.55%,而当横系梁数量为3的时候，相较于2道横系梁，特征值系数几乎不变。

在成桥阶段，计算屈曲特征值如表2所示。

表2 成桥阶段横系梁数目与特征值系数关系

在成桥阶段，由于桥梁整体性得到提高，其稳定性也显著提高，在无横系梁的情况下特征值系数达到了22.63，但是在加了1道横系梁的情况下其稳定性仍然提高42%，相比之下，继续增加横系梁的数量对稳定性的提升就不是很明显了。

4.2 系梁位置对稳定性的影响分析

从稳定性提升效果，施工、经济效益等方面考虑，双肢薄壁墩设置一道横系梁较为合理，为研究设置一道横系梁时，其合理的设置位置，分别把横系梁置于双肢薄壁墩的中点、两个三分点及两个四分点，即h/4、h/3、h/2、2h/3、3h/4(从上到下)，其屈曲特征值计算结果用图表汇总。

在施工阶段最大悬臂计算结果见表3。

表3 最大悬臂阶段横系梁位置与特征值系数关系

在成桥阶段计算结果见表4，并以此绘制成图5。

表4 成桥阶段横系梁位置与特征值系数关系

图5 成桥阶段系梁位置与特征值系数关系曲线图

从图5、表3、表4可以看出，在施工阶段最大悬臂和成桥阶段，系梁位置和特征值系数的关系曲线规律基本一致，当横系梁位于桥墩正中间的部位时特征值系数最大，随着距桥墩中点的距离增加，特征值系数会降低。

由前面分析可知，设置2道横系梁虽然比设置一道系梁桥墩稳定性提高不多，为保证试验设置的全面性，特针对2道系梁的情况，采用对称不等间距分布设置系梁位置，即2道系梁到墩底和墩顶的距离保持相同，改变两系梁的间距，计算其屈曲特征系数如表5所示。

由表5中数据可以看出，最大悬臂阶段，当2道系梁间距为h/3时，即2个系梁按3等分点布置，屈曲特征值最大，对桥梁稳定性提高效果最好。

成桥阶段时，系梁位置与施工阶段最大悬臂时系梁布置位置相同，计算屈曲特征值如表6所示。

由表6中数据分析，可以看出，与施工阶段最大悬臂时类似，当系梁间距为h/3时，特征值系数达到最大值，桥梁稳定性达到最高。随着系梁间距的改变，屈曲特征值系数都有所下降。

5 结论

(1)无系梁的双肢薄壁墩要比有系梁的双肢薄壁墩稳定性低很多，而设置2道以上的横系梁对稳定性提高并不显著，且横梁梁与桥墩连接处受力复杂，且有应力集中。因此建议横系梁设置数量为1道，且要注意连接处构造形式，以减轻应力集中。

表5 最大悬臂阶段2道系梁位置与特征值系数关系

表6 成桥阶段两道系梁间距与特征值系数关系

(2)系梁设置位置与稳定性有很大关系，设置一道系梁较为合理，那么在此前提下，把系梁设置于桥墩中间位置，稳定性要比设置在其他位置高，而且距离中心位置越远，桥墩稳定性越差。

(3)系梁能显著提高桥墩整体刚度，因此相较于增大桥墩截面面积或者是提高材料强度等措施，设置系梁是提高桥墩稳定性最好的方法。

[1]李开言,陈政清,祝志文.连续刚构桥双肢薄壁高墩风荷载研究[J]. 桥梁建设，2004(3)：22-25.

[2]张建仁,许福友.连续梁桥悬臂施工整体稳定性可靠度分析[J]. 长沙交通学院学报，2002(1)：68-69.

[3]刘进.高墩大跨连续刚构桥桥墩稳定性分析[J].铁道建筑,2006(10)：10-12.

[4]马玉全,王景奇.墩间系梁对双肢薄壁高墩连续刚构稳定性的影响[J].广东公路交通，2013(5)：25-28.

[5]李健刚,杜玉东.横系梁对双肢薄壁高墩刚构桥稳定性的影响分析[J].铁道工程学报，2008(2)：45-48.

[6]李开言,陈政清,韩艳.双肢薄壁高墩施工过程稳定性分析的快速算法[J].铁道学报，2004(5)：12-16.

[7]邓先勇.双肢薄壁高墩横联墩身一次性整体灌筑施工技术[J]. 铁道标准设计，2006(8)：34-36.

[8]周勇军.高墩大跨曲线连续刚构桥梁地震响应的设计参数研究[D].西安：长安大学，2006.

[9]李民伟,宁晓骏.不等高双肢薄壁墩对大跨连续刚构静力影响[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2012(6)：53-58.

[10]刘曙光,曲道来,李湘.浅谈k35+327麻栗场大桥双肢薄壁墩施工[J].湖南交通科技，2012(1)：32-35.

Cross collar beam impact on stability of double limb thin-walled pier continuous rigid frame bridge

TAO Fu-xian, LIU Hu-cheng, LIU Guan-chong

(SchoolofHighwayofChang’anUniversity,Xi’an710064,China)

Double thin-wall pier is constantly used by many continuous rigid frame bridges, but its longitudinal stiffness and stability is less stable. Its longitudinal stiffness can be improved by setting the cross collar beam in its design. In order to obtain the most reasonable setting scheme, finite element model is established by using MIDAS CIVIL. This paper analyses the influence of the quantity and position of the cross collar beam during construction process and the final completion stage, and then the reasonable quantity and position are determined, which provides reference for similar projects.

continuous rigid frame bridges; double thin-wall pier; straining beam; stability

2015-01-16

陶甫先(1989-)，男，内蒙古巴彦淖尔人，硕士研究生。

1674-7046(2015)02-0012-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.02.003

TU984.12

A