薄壁高墩连续刚构桥悬臂浇筑施工过程稳定性分析

张 璇，谭小生

(江西省交通工程集团公司)



薄壁高墩连续刚构桥悬臂浇筑施工过程稳定性分析

张 璇，谭小生

(江西省交通工程集团公司)

以L大桥为工程背景，对连续刚构桥悬臂浇筑的特点进行探讨，分析了薄壁高墩连续刚构桥悬浇过程线弹性屈曲稳定性，得出提高最大悬臂阶段稳定性的方法可以从增加墩柱壁厚、改变桥墩的截面形式的有效结论。

薄壁高墩；稳定性；悬臂浇筑

1 工程背景

L大桥主桥为大跨、高墩、预应力混凝土连续刚构桥，其中主墩10号、11号都由双薄壁墩组成，10号墩薄壁为矩形空心截面，墩柱高91m，墩顶、底各设一段矩形实心截面；横桥向宽度为7.0m，顺桥向宽度为2.8m，两片薄壁墩间净距为4.4m，在墩柱之间设有两道横向系梁。11号墩薄壁为矩形实心截面，墩柱高 40m，横桥向7.0m，顺桥向2.0m，两片薄壁墩净间距为 6.0m。主墩上端均与箱梁0号块梁段固结，下端与承台固接。桥墩承台均采用17.6 11.1m矩形承台，厚度为5.0m，设有C25片石混凝土垫层。基础各采用6根直径为2.4m的桩基，均按嵌岩桩设计，各桩分别嵌入单轴极限抗压强度不小于34MPa的弱风化变余砂岩，深度不小于8m。

2 连续刚构桥悬臂浇筑的特点

(1)在悬臂浇筑施工过程中，需要保证其具有安全性、稳定性。在节段施工中，由于易出现偏载或者因风力而产生不平衡弯矩的情况，为承受这种不平衡弯矩，在施工中，往往除了墩、梁临时固结外，还会在桥墩或者墩旁会架设临时支撑，这样来保证施工中双悬臂体系的稳定性。

(2)在悬臂浇筑施工过程中，需要保证混凝土的浇筑质量。由于悬臂浇筑施工中，高空作业的工作量比较大，但是其工作面较小，混凝土养生、脱模对施工的周期产生了一定的限制，节段循环作业中遗留有内部接缝等因素，因此要从设计和施工全面考虑保证每节段混凝土的施工现浇质量。

(3)在悬臂浇筑施工过程中，需对梁体的几何位置进行严格控制。相对于悬臂拼装法，悬臂浇筑施工法更易控制变形，这是由于逐段浇筑施工能够逐节段对挂焦标高进行调整，但是逐步浇筑混凝土的龄期具有差异，在合拢时要进行进行体系转化，因此，由于混凝土的收缩与徐变所产生的变形和次内力比较复杂，对其必须认真设计与施工。

3 薄壁高墩连续刚构桥悬浇过程线弹性屈曲稳定分析

薄壁高墩大跨径连续刚构桥的稳定性主要为三个稳定，即主梁悬臂浇筑过程中的稳定性、高墩自体稳定性和成桥后全桥的稳定性。在薄壁高墩大跨径连续刚构桥悬臂浇筑施工过程中，稳定性最差的为最大悬臂状态，非常容易发生侧向的屈曲失稳，这也成为了高墩大跨径连续刚构桥稳定性控制状态。因而对最大悬臂状态稳定性进行研究很具有代表性。根据L大桥模型，首先在相同壁厚的条件下分析其在不同荷载工况组合时的结构稳定性；其次分别采用10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm壁厚的桥墩模型，分析其在相同荷载工况条件下结构的稳定性；最后采用相同壁厚与相同的荷载工况分析自重对结构稳定的影响。

荷载组合工况如下。

工况一：自重荷载+预应力荷载+施工不平衡堆载

工况二：自重荷载+预应力荷载+施工不平衡堆载+单边挂蓝

工况三：自重荷载+预应力荷载+施工不平衡堆载+单边挂蓝+横向风荷载

工况四：自重荷载+预应力荷载+施工不平衡堆载+单边挂蓝+横向风荷载+纵向风荷载

工况五：自重荷载+预应力荷载+施工不平衡堆载+单边挂蓝+横向风荷载+纵向风荷载+整体升温 20 ℃

工况六：自重荷载+预应力荷载+施工不平衡堆载+单边挂蓝+横向风荷载+纵向风荷载+整体降温 20 ℃

3.1 不同荷载工况下的稳定性影响

表1 不同荷载组合工况下的稳定特征值

分析得出。

(1)在以上六种荷载工况作用下，施工最大悬臂状态过程中桥梁最容易出现高墩的横桥向的侧向倾覆失稳(在本桥整体坐标系下表现为沿y方向的倾倒)，其临界屈曲荷载值约为上述最大荷载工况组合值的18.5倍。而第二种稳定性的破坏模式则表现为高墩沿整体坐标系x方向的倾覆，即为顺桥向的倾倒，其稳定倾覆荷载临界数值约为上述最大荷载工况组合值的 33.6 倍。从数值上看桥梁在最大悬臂施工阶段纵桥向的稳定性约为横桥向稳定性的1.8倍；矮墩的稳定性约为高墩稳定性的2.6倍；高墩发生墩柱屈曲破坏的情况仅为高墩出现侧向倾覆破坏概率的 26.5%。

(2)工况一的最小稳定性系数为 19.185 59，工况二的稳定性系数为 18.465 61，由工况一到工况二考虑了一边挂蓝突然掉落的情况，取单边挂蓝瞬时的荷载冲击系数为 2.0 的情况下，单边挂蓝的掉落对最大悬臂状态稳定性的影响对于较高一侧桥墩仅占稳定安全系数的3.9%，对于矮墩一侧仅占稳定安全系数的3.6%，从影响百分率上看相差不大，但是矮墩的稳定安全系数约是高墩稳定系数的3.8倍，所以可以看出同样的冲击荷载对刚度较大的矮墩稳定性的破坏效率要大于高墩，这是由于柔度较大的高墩在承受冲击荷载作用时有较大的变形空间来消耗冲击能的原因。由上述图表可以看出从工况二到工况六，施工不平衡荷载、风荷载、温度荷载对桥梁稳定性的影响非常微小，可以忽略不计。

(3)工况六的荷载组合下施加的情况，应当属于最不利施工荷载组合的情况，但是在这种情况下，单边挂蓝掉落+横向风荷载+纵向风荷载+整体降温20 ℃对桥梁稳定系数的影响也只占到总安全系数的 3.9%。由此可以看出施工过程中所产生的荷载对桥梁安全稳定的影响是相对比较小的，桥梁在设计时所采用的数据参数才是影响桥梁稳定性决定因素。

3.2 桥墩壁厚对整体稳定性的影响

当桥墩壁厚减少到10cm的时候，桥梁的屈曲稳定性特征值仅为5.4，十分接近第一类稳定特征值的临界值4。也就是说桥墩接近横向倾覆的安全允许值。桥梁纵向倾覆的稳定特征值为 9.6。出现的四种失稳模态都是高墩失稳破坏，其三阶与四阶模态都是表现为近似压杆失稳的态势，因此无论是那种失稳模态破坏，壁厚采用10cm的时候都是本桥桥墩的临界失稳壁厚。

桥墩的壁厚对最大悬臂状态的稳定性影响十分明显，若想加强桥墩某个方向的稳定性，通过加强影响该方向稳定的桥墩壁厚是一个不错的选择。通过调整顺桥向的壁厚与横桥向桥墩的壁厚使桥梁在纵横两个方向上屈曲稳定特征值接近，从而能够达到提高最大悬臂施工状态下桥梁稳定的目的。

3.3 混凝土容重对结构稳定性的影响

从结果分析得出结构发生稳定破坏的形式并没有随混凝土容重的变化而改变，从屈曲稳定特征值上看，混凝土容重增加的比率与结构第一类模态的稳定特征值减小的比率相当。在容重为 28kN/m的情况下，结构第一类失稳模态稳定性特征值为16.569 76。仍然能远远大于稳定性系数的允许值 4，可以保证结构的稳定性。

4 结束语

对于整个最大悬臂施工阶段来看，墩柱的壁厚、混凝土容重对整体结构的稳定性的影响要远大于施工不利荷载组合对结构的影响，风荷载与整体升(降)温对桥梁的影响很小，几乎可以忽略不计。提高最大悬臂阶段稳定性的方法可以从增加墩柱壁厚、改变桥墩的截面形式、减小自重方面入手，这样可以有效的加强最大悬臂时结构在横桥向、顺桥向和桥墩竖向三个方向的稳定性。

[1] 马保林.高墩大跨径连续刚构桥[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2] 文武松，周新亚.苏通大桥辅航道连续刚构桥建造技术[M].中国铁道出版社，2010.

[3] 朱新实，刘效尧主编.预应力技术材料设备[M].北京：人民交通出版社，2005.

2014-12-11

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1008-3383(2015)09-0091-01