横系梁对薄壁空心高墩连续刚构桥施工阶段稳定性的影响

孙龙华

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

近年来，随着我国交通事业的大发展，连续刚构桥梁因其具有的梁体连续、不设支座、方便施工，且有很大的顺桥向抗弯刚度和横向抗扭刚度等优点，在大跨径桥梁中得到了十分广泛的应用[1]。

目前针对连续刚构桥桥墩横系梁的研究主要集中在顺桥向设置的墩间横系梁，对于双幅刚构桥，两幅间设置的横桥向墩间系梁研究还较少[2-3]。本文结合工程实际，研究横桥向系梁对薄壁空心高墩连续刚构桥施工阶段稳定性的影响，并分析设置横桥向系梁的利弊。

1 工程概况

沁水河特大桥位于沁水县龙岗镇里必村东侧约0.6 km处，横跨S331省道及沁水河，是高平到沁水高速公路沁水段关键性工程；桥梁全长1347 m，分左右幅。

主桥为预应力混凝土连续刚构桥，直腹板变截面单箱单室箱梁，三向预应力混凝土结构。箱梁顶宽12 m，底宽7.0 m，悬臂长2.5 m；合龙段梁高3.5 m，顶、底板厚0.3 m，0号块中心高度9.0 m，底板厚1.2 m，从悬臂端到 0号块梁高按 h=3.5+5.5×（x/69）1.8变化，底板厚按h=0.3+0.7×（x/69）1.8变化。主墩采用双薄壁空心墩与空心墩的组合形式，墩高在52～84 m之间；过渡墩采用等截面空心墩。桥墩基础采用钻孔灌注桩；基础采用柱式台，灌注桩基础。

桥梁主要技术标准为：设计荷载公路-Ⅰ级；设计洪水频率1/300；地震动峰值加速度0.10g，地震基本烈度Ⅶ；基本设计风速取25 m/s；整体均匀升温24℃，降温20℃；结构安全等级一级；环境类别Ⅰ类。该桥桥型立面布置如图1所示。

图1 沁水河特大桥桥型立面布置图（单位：cm）

2 有限元模型

该桥主梁采用C55混凝土，桥墩采用C40混凝土，刚构主墩墩底固结。本文选取墩高最高的6号刚构墩“T”构（墩高84 m），采用有限元软件Midas Civil进行模拟计算。单幅和两幅主桥最大双悬臂阶段单元离散如图2和图3所示（双幅桥型在桥墩中部和顶部施加两道横桥向系梁）[4-5]。

图2 单幅“T”构单元离散图

图3 两幅“T”构单元离散图（施加两道横桥向系梁）

3 施工最大双悬臂阶段稳定分析和比较

3.1 稳定计算分析

该桥每墩两侧各20个悬臂块段（含0号块段），当两幅间不施加横桥向系梁，即单幅最大双悬臂状态下仅考虑自重作用下前两阶屈曲模态如图4和图5所示。

图4 单幅“T”构第一阶屈曲模态图

图5 单幅“T”构第二阶屈曲模态图

两幅间施加两道横系梁后，最大双悬臂状态下仅考虑自重作用下前两阶屈曲模态如图6和图7所示。

图6 双幅“T”构第一阶屈曲模态图

图7 双幅“T”构第二阶屈曲模态图

详细的比较结果见表1。

表1 不施加和施加横桥向系梁最大双悬臂状态下失稳模态比较

由表1可知，施加横桥向系梁后，“T”构第一阶失稳模态由横桥向倾覆变为顺桥向倾覆，横桥向倾覆特征值系数提高95.2%，顺桥向倾覆特征值系数提高2.0%；同时第一阶失稳模态特征值系数提高59.8%。

3.2 施加横桥向系梁的利弊分析

在施加横桥向系梁后，桥梁两幅连为一个整体，对提高桥梁施工期间的稳定性有较大帮助，但涉及到对桥墩变形影响较为明显的施工作业时，如为了改善成桥后桥墩的受力，合龙前对“T”构进行顶推，则要求桥梁两幅的施工作业保持同步，防止对系梁结构造成破坏，这增加了顶推施工的复杂度；另外增加横桥向系梁对桥墩的施工也会造成一定的难度。

4 结论

通过计算不施加和施加横桥向系梁的单个“T”构在施工最大双悬臂状态下的失稳模态。得出以下结论：

a）在两幅桥墩之间施加横向系梁后，单个“T”构的第一阶失稳模态由横桥向倾覆变为顺桥向倾覆，第一阶稳定特征值系数明显提高，且横桥向倾覆特征系数提高显著。

b）采用悬臂施工的双幅桥梁，在施工期间“T”构的横向刚度较弱时，可以考虑在两幅桥墩之间施加横向系梁，以提高“T”构的横向刚度和稳定性。