深水大跨度连续刚构箱梁桥施工阶段稳定性分析

■程章宏

(福建省交通规划设计院，福州 350004)

1 引言

随着山区高速公路、山区县市高等级道路修建的普及，预应力混凝土连续刚构箱梁桥在山区地形中的应用也越来越普遍。连续刚构桥具有伸缩缝少，行车平顺、施工技术成熟、结构合理等优点，然而在跨越谷沟、大河、水库等地形地物时，往往会遇到必须采用高墩的情况。对跨越深水的连续刚构桥梁，即使墩身本身高度不高，但桩基处于水中无侧向支承的长度较长，其刚度通过承台与墩身串联，整体受力性能与高墩类似，此时桥梁的稳定问题就不容忽略，尤其是桥梁悬臂施工阶段，下部结构的稳定问题更为突出，此时稳定就具有了与强度同样的重要性，甚至成为了结构设计的主要控制问题。因而对该类情况下的桥梁稳定问题展开研究，意义重大。国内对桥梁结构进行稳定问题研究时，考虑到其所具有的复杂性，往往采用的是建立并求解微分方程的近似求解法，或结合计算机技术，根据能量变分原理的近似法，如有限条法、有限单元法等。本文采用有限单元法，结合桥梁通用有限元软件Midas/Civil,对跨越深水的大跨度连续刚构桥梁稳定问题展开研究。

2 工程概况

某大跨度预应力混凝土连续刚构桥跨越地方深水库，最大水深34m，主桥桥型结构布置为71.5m+2X130m+71.5m=403m，桥面横向布置为2X[（1.5m（人行道）+0.5m 路缘带+7m（行车道）]=18m，主桥箱梁采用单箱单室变截面连续刚构箱梁，中间墩顶支点处梁高7.7m，边跨直线段梁高3m，箱梁顶板宽度为17.5m，厚度为0.28m，底宽为8.5m，底板厚度为0.886～0.32m，在梁高曲线变化范围内按1.8 次抛物线变化，腹板铅直设置，箱梁梁体两翼板悬臂长度为4.5m。桥型布置图见图1。其中主墩采用双肢薄壁墩，单肢壁厚1.6m，壁间距8m，最高墩高27m，承台厚4.5m。每个主墩处设置9 根桩基，桩径2.2m，桩基长度最长为50m，水中侧向自由长度17～27m。

图1 连续刚构桥型布置图(单位：cm)

3 有限元模型建立

本桥墩顶0#块长度为12m，施工中每个T 构最大悬臂60m，墩两侧各有16 块挂蓝悬浇节块。大跨连续刚构桥的稳定性问题以施工中最大悬臂状态时最为突出及关键，则以该施工阶段桥梁结构作为研究对象，利用有限元软件Midas/Civil2012 建立计算模型。模型主要采用空间梁单元模拟上部结构、墩、承台及桩基，不同构件之间的连接采用节点耦合或设置刚臂的方式。桩基进入水库库床的部分考虑桩土相互作用，水中段无任何约束且不考虑水的作用（因水库中水体流动极为缓慢故可忽略，若为具有相当流速的水流则须考虑动水作用），根据现场地质钻探结果，采用M 法计算每个被穿过土层的侧向抗压刚度值，据此设立桩侧土弹簧约束，以使模拟的桥梁整体刚度情况接近施工实际。全桥共划分单元464 个，节点476 个。模型简图见图2 所示。

图2 施工最大悬臂阶段桥梁模型

4 稳定性计算分析

4.1 计算理论与依据

结构稳定问题分为两种：第一类为分支点失稳，第二类为极值点失稳。实际工程中的稳定问题一般都是表现为第二类失稳。由于第一类稳定问题是特征值问题，求解方便，且许多情况下两类问题所求出的临界值相差不大，因此多数工程可以通过第一类稳定问题的求解来近似计算结构的稳定情况。第一类稳定的控制方程为：|[K]+λ[K]σ|=0，其中[K]为结构的弹性刚度矩阵，为结构在某荷载[P]作用下的几何刚度矩阵，λ 为结构的第一类稳定特征值（即稳定安全系数），在极限荷载[P]cr作用下，结构具有了相应的几何刚度矩阵λ[K]σ，此时，根据线性关系，[P]cr=λ[P]，即λ=[P]cr/[P]。以下根据第一类稳定理论计算该桥梁施工过程中稳定问题。

4.2 荷载工况

大跨连续刚构桥最大悬臂施工状态下稳定性分析计算时通常要考虑的荷载有：自重荷载、挂篮荷载、施工堆积荷载、施工不对称导致的不平衡力以及纵桥向、横桥向风荷载等等。本桥计算中，挂蓝荷载按原设计资料中数值，即最大梁重的0.5 倍，取为120 吨；施工临时堆积荷载考虑均布荷载及集中荷载，均布荷载按25kN/m 沿单边悬臂均匀布置，集中荷载取最不利位置，即单边悬臂端部，数值为300kN；施工不对称按一侧比另一侧多一个节块考虑或挂蓝移动不同步（含某侧挂篮不慎掉落情况）；纵横桥向风荷载根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）规定并结合桥址处具体地形进行计算取值。综上，对本桥施工最大悬臂状态的稳定计算分别施加以下六种工况进行计算研究：

工况一：自重；

工况二：自重+纵桥向风荷载；

工况三：自重+横桥向风荷载；

工况四：自重+单端安装挂篮+施工临时堆积荷载+施工不对称梁段重（某侧悬臂多一节块）；

工况五：自重+单端安装挂篮+施工临时堆积荷载+施工不对称梁段重（某侧悬臂多一节块）+纵桥向风荷载；

工况六：自重+单端安装挂篮+施工临时堆积荷载+施工不对称梁段重（某侧悬臂多一节块）+横桥向风荷载。

4.3 计算结果与分析

各工况计算结果见表1，此处稳定系数计算均以墩最大轴压力（即墩底截面处压力）作为研究对象。分析上述计算结果易知，该桥在稳定最不利状态——施工最大悬臂阶段下各种工况稳定安全系数均能满足规范规定的“安全系数不小于4”的要求，结构能够满足稳定安全的需要。

图3 顺桥向二阶弯曲

图4 横桥向侧弯失稳

图5 横桥向、顺桥向同时侧弯失稳

各工况计算结果对比可知，（1）桥梁自重荷载对结构的稳定起控制作用，当结构自重对称分布时，更有利于结构的稳定。（2）工况2 与工况1 及工况5 与工况4 的的对比可知，纵风荷载对结构的稳定影响不大，这是由于纵风作用面主要在墩身，荷载小且作用高度较低，使结构发生弯曲的作用不大。（3）工况3 与工况1 及工况6 与工况4 的对比可知，横向风荷载对结构的稳定影响较大，实际操作中不容忽视。横风作用于整个桥梁侧面，荷载大、作用点位置高，会加剧桥梁的侧倾失稳。（4）工况4 与工况1 对比可知，当悬臂两端承受不对称施工活载时，容易使结构发生横向侧倾失稳的危险。既有文献研究也表明，当悬臂单端作用较大集中力时（如单端安装挂篮、一侧挂篮不慎断裂导致瞬间卸载等），悬臂结构将有横向倾覆的趋势。故施工中应注意挂篮安装与移动必须保证对称、同步，同时保证挂篮结构的安全。其余施工荷载的堆放亦需合理规划布置，必要时应进行相应的验算。（5）本桥由于桩基处于深水中，侧向无支撑长度较长，故该部分桩基成为结构整体刚度中薄弱点。由各工况的失稳形态图容易看出，破坏均主要表现为桩基的纵向或横向弯曲变形。故施工中应防止不平衡荷载，同时加强对桩顶水平位移的监控。

5 结论

本文结合某跨越水库的大跨度连续刚构桥梁工程，利用空间有限元软件对桥梁施工最大悬臂阶段进行了稳定安全分析。由文中计算结果可知，连续刚构桥梁在墩矮的情况下，如果桩基侧向无支撑长度较长，则墩桩体系在施工中的稳定问题同样应予以重视。此类桥梁在施工中应尽量确保荷载的对称施加，如挂篮的移动与安装、施加压重等均应同步、对称进行或严格遵循设计文件要求。同时，风荷载中横向风对结构的稳定影响较大，施工中应注意防范横风的破坏作用，必要时可采取适当的横向临时加强措施。最后，深水桩基水平向刚度较差，施工中应注意控制桩顶的水平位移。

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