桥梁高墩稳定性设计计算探讨

2015-10-21 17:16张灿
建筑工程技术与设计 2015年30期
关键词:稳定性

张灿

【摘要】桥梁高墩稳定性关系桥梁使用的安全性和耐久性,是桥梁结构设计的重点内容。高墩稳定问题的求解方法,可适用于不同情况下桥梁高墩稳定性问题分析和计算。以云南金沙江地区某公路桥梁高墩设计为例,探讨高墩稳定性设计计算,为桥梁高墩设计及计算提供参考。

【关键词】桥梁高墩;稳定性;薄壁高墩

0.引言

我国地质和地理环境差异较大,桥梁建设工程通常需跨越河流、峡谷等复杂地形条件,因此高墩成为当前桥梁建设中的常见下部结构形式[1]。而且随着经济和技术的发展,高墩式桥梁设计具有较强的可行性。在高墩桥梁建设中,高墩式桥梁的下部承载结构,负责支撑桥梁上部荷载。但是在实际工程中,高墩结构的形式和受力都极为复杂,需要通过多次强度、位移和稳定性验算,计算桥梁高墩的稳定性,才能保证桥墩受力时不发生屈曲失稳[2]。本文就桥梁高墩稳定性设计计算进行分析。

1.高墩稳定问题的求解方法

高墩稳定问题包括解析方法和数值方法两种,根据实际情况,可将解析方法和数值方法具体分为若干个不同求解方法。

1.1解析方法

一是静力平衡法。该方法依据静力准则计算结构临界荷载,是最为基础的稳定问题求解方法。该方法多用于理想化的轴心受压杆件,将静力平衡关系建立线形微方程,线形微方程的结果即为高墩的稳定特征值和临界荷载[3]。二是动力法。该方法依据动力求解,首先假设振动,并得出振动方程。求解振动频率后,根据临界状态下结构频率为0的特点确定临界荷载;三是能量法。该方法需要假定结构变形形状函数,依据势能驻值原理求解势能驻值稳定极限荷载,再根据小变形理论求得结构屈曲状态下荷载的近似值[4]。在提前获得结构屈曲变形状态下,近似值与真实值的误差极小。

1.2数值法

一是差分法。该方法将静力准则作为稳定性近似值求解方法,求解思路:将微分方程求解区域构成网络,使用有限差分公式代替微分方程的每个点的倒数,形成代数方程组,从而求出稳定值的近似解。缺点在于结果为近似值,不能得出确切的函数解析式[5]。二是渐进法。将微分方程写成地递推关系后,使用前一近似值得出后一近似值,从而得出较为精确的稳定性值。

2.工程实例

2.1工程实际情况

桥梁位于云南省金沙江地区某公路工程,桥型为75m+130m+75m预应力混凝土连续刚构桥,总长290m,宽8.5m,双向两车道布置,采用悬臂浇筑施工。主墩采用矩形钢筋混凝土薄壁空心墩,墩高分别为78m、 66m,混凝土标号C40。桥墩墩顶横桥向尺寸为6.5m,墩顶纵桥向尺寸为5.0m,桥墩纵横向坡比均为1:60,空心墩横向壁厚80cm,纵向壁厚120cm。

2.2稳定性设计计算

2.2.1设计参数

设计速度:40km/h;

汽车荷载:公路-I级;

空心墩主筋采用双肢直径32mm的HRB400钢筋,主筋间距为10cm。

3.桥墩计算

连续刚构桥的高墩稳定性计算主要针对两种状态:施工中最大悬臂状态和成桥后运营状态。同时应考虑风荷载对高墩稳定性的影响

3.1桥墩风荷载计算

施工阶段风速按10年一遇计算,基本风速V10=19.8m/s,1/100基本风速V10=26.1m/s。

3.1.1风速

根据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01-2004)计算。其中Gv为静阵风系数,η为施工阶段风速重现期系数,K1为风速高度变化修正系数。

3.1.2风荷载

静阵风荷载计算公式为:FH=1/2×ρVg2×CH×H

(1)施工阶段:桥面横向风荷载FH=410.2kN;对于跨径小于200m的桥梁且为实体截面,主梁顺桥向单位长度的风荷载取横向风荷载的0.25倍。桥墩横桥向风荷载FH=349.9kN;桥墩顺桥向风荷载FH=303.2N。

(2)运营阶段:作用于单个桥墩的桥面横向风荷载FH=2313.8kN。桥墩横桥向风荷载FH=999.0kN;桥墩顺桥向风荷载FH=865.3N。

3.2施工阶段荷载组合

考慮最大悬臂时,主要考虑施工荷载以及风荷载,按最不利工况组合。

(1)施工荷载:A、主梁、高墩自重;B、桥面不对称堆载,一侧悬臂承受8.5kN/m均布荷载,并在其端头有200 kN的集中力,另一侧空载;C、一侧挂蓝突然掉落,250kN。

(2)风荷载:D、纵桥向沿墩高方向风荷载;E、横桥向沿墩高方向风荷载;F、考虑箱梁一悬臂长度范围内作用0.5倍横向风荷载,另一悬臂范围内作用1倍横向风荷载;G、计算时取一悬臂竖向风荷载8.0KN/m的均布荷载,另一悬臂空载。

3.3运营阶段荷载组合

(1)永久作用:A、主梁、高墩自重;B、收缩徐变。

(2)可变作用:C、汽车荷载;D、汽车冲击力;E、人群荷载;F、支座摩阻力;G、纵桥向沿墩高方向风荷载;H、横桥向沿墩高方向风荷载;F、桥面横向风荷载。

桥面高度处风速VZ超过25m/s时,风荷载不与汽车荷载同时组合。

3.4桥墩强度及裂缝计算

3.5桥墩承台桩基计算。

按高桩承台计算承台桩基,桩基最大弯矩对应的轴力N=36206.8KN,M=3429.2KN.m,桥墩采用8根直径2.0m桩基,44根直径28mm钢筋。按偏心受压构件计算桩基强度及裂缝满足规范要求。

桩基按端承桩计算,根据依据《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63-2007)计算Ra=c1Apfrk+u∑c2ihifrki+1/2ζsu∑liqik。Ap=3.1416m2;u=6.283m;嵌入新鲜白云岩hi=5.0m;Ra=0.5×3.1416×30000=47124kN>39865 kN,承载力满足规范。

4.结语

空心薄壁高墩是我国桥梁高墩设计的主要方式,具有受力性好、刚度大且经济性高的优点,在我国道路桥梁设计中的应用越来越广。桥梁高墩稳定性设计需要依据相关设计为依据,在结合实际情况简化计算,就能得出科学的高墩尺寸、材料设计,达到安全、耐用、舒适、经济的要求。同时还应该完善施工操作,用科学的设计和施工保证桥梁高墩的安全稳定。

【参考文献】

[1]陈峰,车爱兰,付佰勇,刘高. 多灾害作用下特大桥梁深水基础动力稳定性分析[J]. 上海交通大学学报,2015,07:993-997+1004.

[2]于微微,冯家骏,王汉席,王龙伟,吴宜凤. 城市高架桥梁横向预应力钢束布置研究[J]. 山西建筑,2015,22:179-181.

[3]吴国光. 赤石大桥关键技术研究及对策[J]. 公路工程,2013,06:1-5+16.

[4]张小月,陈艾荣,吴怀义,罗晓瑜. 国内外高墩桥梁桥墩造型应用研究[J]. 上海公路,2012,01:44-48+13.

[5]张运波,蔡亭亭,刘洋. 截面形状对双肢薄壁墩温度场的影响分析[J]. 铁道工程学报,2015,03:41-45.

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