青藏高原地区大跨连续刚构桥薄壁空心高墩稳定性的研究

田润鹏 崔永嘉 何少奇 等

摘 要：薄壁空心桥墩的局部稳定主要是通过设置横隔板或者是控制壁厚来增强，而在规范中尚未有具体明确的规定。本文以尕玛羊曲黄河特大桥为工程背景，其主桥上部为（65+5×120+65）m预应力混凝土连续刚构，下部主墩为单薄壁空心墩。最大墩高为111m。首先进行仿生学调研研究，建立隔板不同布置的数学模型。然后根据背景工程的实际情况进行调整，建立后期对比分析的CAD模型。然后使用ANSYS软件进行建模分析，得到不同布置的横隔板下，高墩结构在荷载下的静力和稳定情况。以得到横隔板布置的最佳位置。

关键词：薄壁空心高墩；横隔板；仿生；静力和稳定；最佳布置

1.绪论

尕玛羊曲黄河特大桥主桥上部为（65+5×120+65）m预应力混凝土连续刚构，箱梁顶板宽12.0m，底板宽7.0m，顶板厚0.30m，底板厚由跨中0.30m按1.8次抛物线变化至根部0.80m，腹板厚跨中段为0.50m、根部变为0.65m，渐变段长4.5m。桥墩顶部范围内箱梁顶板厚0.50米，底板厚1.0和1.5米，腹板厚0.90米。

主桥26～31号桥墩采用单薄壁空心桥墩，单薄壁空心桥墩横桥向宽7.0米，26、31号桥墩顺桥向单薄壁尺寸为6.0米，27～30号桥墩顺桥向单薄壁尺寸为7.0米，壁厚顺桥向0.7米，横桥向0.9米，其中28、29墩底至30米范围横桥向为渐变段。分隔墩采用单薄壁空心墩，横桥向宽5.5米，顺桥向尺寸为4.5米，壁厚0.5米；引桥桥墩采用柱式墩和空心墩；桥台采用肋板式和柱式桥台。

由于本文关注下部结构空心高墩的稳定研究，选取该桥中间28、29号高墩为研究对象。

2.仿生学调研研究及数学模型建立

2.1 基于仿生学研究的数学模型建立

竹子每隔一小段就有一个节，有着横隔板的高墩结构和竹子的结构极为相似，而高墩的横隔板就好似竹节一样。通过仔细观察发现：竹子的节并不是平均分布的，而是下部的竹节较为密集，中间较为稀疏，顶部又稍微密集。

选取整数近似高度110米为数学模型（与背景工程尕玛羊曲大桥高墩高度接近）。为此，选取11m间隔布置9道0.6m厚横隔板的高墩作为原始模型（模型A）。按照不同的方式对竹节进行修改，分别按照横隔板距离是1m和2m的等差设置，记为模型B和C；此外，竹子是一种下粗上细的结構，我们讨论的高墩结构是近似于等截面的形式，为了研究底部密集，上部逐渐稀疏的方式是否会更好，分别按1m和2m的等差进行设置，记为模型D和E。只有体积相同才具有可比性，故B、C、D、E四中模型的横隔板数量与厚度都与A相同。数学模型如图。

3.有限元软件分析

3.1 模型建立

选取最高墩28#墩作为建模对象，建模过程中采用梁、墩、桩基完成模型。具体而言，模型中变截面箱梁、桥墩、承台和桩基采用自定义界面的空间梁单元BEAM188建造。主梁、桥墩、承台、桩基的弹性模量分别为3.55e10，3.45e10，3e10，3e10，泊松比均为0.1667。模型用LINK10模拟土弹簧，以计入桩周土层对桩基的作用。边界条件为桩底部全约束。单元划分粗细得当，满足分析要求。3.2 静力分析对比

首先对不带隔板的高墩结构与带横隔板高墩结构作静力分析，以便了解横、纵隔板在结构静力分析中起到的作用。这里选取不带隔板的高墩结构与模型A布置（11米间距布置9道0.6米厚横隔板）作对比分析。（分析过程中横隔板按实心、未开人孔考虑）。

3.2不设置横隔板的高墩模型

首先建立不设置横隔板的有限元模型通过与设置横隔板的模型形成对比分析，探究对横隔板对高墩静力情况的影响。施加风力荷载、上部箱梁压力荷载与结构弯矩进行静力分析

通过ANSYS软件对两种结构的静力学分析对比可知，增加横隔板的桥墩结构与不增加横隔板的桥墩结构的静力分析结果相差很小，整位移减小了2.6%，最大应力减小了2.6%。因此可知，横隔板对结构的桥墩的静力承载力分析结果相差无几。

3.3 稳定性分析对比

下面针对第一节介绍的6种结构形式进行屈曲稳定性分析，以此说明横隔板的不同布置形式对结构的稳定性的影响。

从分析结果可以看出，增加横隔板的结构形式与不增加横隔板的结构形式对结构的稳定性的影响差距较大。

以第一种布置型式为例，无横隔板时的第一阶特征值为7.3305E+08，增加横隔板后的第一阶特征值为8.3457E+08，增加横隔板之后的结构比不增加横隔板的结构的稳定特征值增加了13.85%，说明横隔板对结构的整体稳定性起到较大的增强作用。

无横隔板的最后一阶特征值为1.5097E+11，增加横隔板后的最后一阶特征值可达到2.0778E+11，增加横隔板之后的结构比不增加横隔板的结构的稳定特征值增加了37.63%，说明横隔板对结构的整体稳定性起到极大的增强作用。

另外，从分析结果还可以看出，五种横隔板的布置型式对结构稳定性的影响相差很小，而通过各种横隔板布置型式的特征值对比结果可知，第六种结构形式的横隔板布置型式对整体结构的稳定性增强效果最明显，即为横隔板的最优布置。

参考文献

[1]铁道科学研究院西南研究所.矩形空心桥墩局部稳定模型试验报告.[Z]1975.

[2]管敏鑫.空心桥墩墩壁的局部稳定[J].桥梁建设.1988（3）.64-67.

作者简介：

田润鹏，1998，汉，男，籍贯：黑龙江哈尔滨，本科，单位：东南大学，