钢筋混凝土支撑立柱受偏心荷载稳定性浅析

周 杰 王 宇 贵建军 贺青青

(1.中国船舶重工集团国际工程有限公司，北京 100121； 2.中船重工海鑫工程管理(北京)有限公司，北京 100121)

0 引言

随着城镇化进程的加快，土地使用需求量日益加大，由于受到既有建构筑物、交通等周边众多条件的限制，工程项目的施工环境变得越来越复杂。以工程建设项目中一种辅助支撑体系为例，满堂支架作为桥梁等现浇混凝土工程的一种支撑方式，已经极为成熟，但由于目前在城市中上跨市政路、高速公路和既有铁路线修建桥梁的情况十分常见，满堂支架往往受到场地限制而无法使用，因此需要寻求另外一种能节约场地同时又能满足安全性和稳定性要求的支撑方式。

钢筋混凝土立柱作为支撑已有一定的应用，其较素混凝土柱具有较高的承载力、较好的延性等力学性能，同时使施工过程变得简洁方便，因此近些年钢筋混凝土柱被广泛的应用于高层建筑、桥梁工程等结构中用于承受大荷载作用[1]。因此研究钢筋混凝土立柱支撑技术是十分有必要的，杨晓、李学建[2]、郭伟、李毅[3]、姚璐[4]等大量研究人员从施工、设计等方面进行了研究探讨并获取了一些研究成果。但研究钢筋混凝土立柱作为支撑在偏心荷载作用下的稳定性问题鲜有提及，本文结合具体项目，对不同工况下竖向偏心荷载对立柱稳定性的影响进行了简要的有限元分析。

1 项目背景

西北某地上跨既有公路线新建桥连续梁(40+64+40) m全长145.5 m，计算跨度(60+100+60) m，梁体类型为单箱单室、变高度、变截面结构。箱梁顶宽12.2 m,底宽6.7 m。梁体各控制截面梁高分别为端支座处及边跨直线段和跨中处为3.05 m，中支点处梁高6.05 m，箱梁底板下缘按二次抛物线变化，梁底抛物线方程为y=0.007 218x1.8。

新建桥梁以小角度跨越既有G312国道，该国道车流量较大，不适宜采用满堂支架现浇方案施工，故设计采用悬灌法施工，两个主墩上部悬灌结构设计相同，主墩上部设置0号块、块长8.0 m，边跨分为7节段，1段～2段长度为3.5 m，3段～7段长度为4.0 m，中跨、边跨合龙段块长均为2.0 m，现浇段长10 m。

为保证悬浇梁体的稳定性，在各中墩两侧设置钢筋混凝土立柱。钢筋混凝土立柱截面为0.95 m×0.95 m，混凝土标号为C50，主筋为HRB335Ф25钢筋，箍筋为HRB335Ф12钢筋，立面图及平面图如图1,图2所示。

2 有限元分析

对于钢筋混凝土立柱的安全性分析思路如下：

1)分析钢筋混凝土立柱的工作状况；

2)确定作用于钢筋混凝土立柱上的最不利荷载；

3)对钢筋混凝土立柱安全性进行论证。

钢筋混凝土立柱荷载分析是其安全性验算关键部分。

2.1 工作状况分析

悬浇施工过程中考虑如下两个方面的不平衡荷载，已施工梁段的混凝土容重存在5%的差异性与T构两端存在一个节段的混凝土不平衡容重。由于桥梁悬浇施工过程持续时间不长，对于临时设施承受的风荷载作用，一般按10年一遇考虑。

2.2 有限元模型

对于悬浇施工的桥梁，采用梁单元建模，对于钢筋混凝土立柱用弹性连接来模拟，模型共256个单元，如图3所示。边界设置见图4，钢筋混凝土立柱与主梁用弹性连接相连，其中荷载较重的悬臂一侧用一般弹性连接，另一侧用只受压弹性连接。

2.3 计算结果

1)5%不平衡容重施工。

最大反力发生在浇筑12号块湿重时，最大反力如图5，图6所示，即钢筋混凝土立柱所受的最大作用力为456.4 t。

2)一节段不平衡施工。

最大反力发生在浇筑12号块湿重时，最大反力如图7，图8所示，即为984.3 t。

3)5%容重不平衡+一段不平衡。

最大反力发生在浇筑12号块湿重时，最大反力如图9，图10所示，即为1 387.2 t。

4)风荷载+5%容重不平衡+一段不平衡。

悬臂浇筑施工过程中，最大迎风面积为579.2 m2，10年一遇风压取0.30 kN/m2，所受推力合力为437.88 kN，合力作用点距离桥面3.03 m，假定桥墩及两侧钢筋混凝土立柱分别按承压面积及竖向荷载的比例承受水平荷载。钢筋混凝土立柱竖直面承受的横向风荷载按0.58 kN/m考虑(见图11)。

在风荷载作用下，单个临时墩所受的竖向力为149.96 kN，最大水平力为7.47 kN。

通过上述的1)～4)分析可知，单个钢筋混凝土立柱承受的最不利荷载为：

1)临时最大竖向反力为6 947.24 kN；

2)最大水平推力为7.47 kN。

3 钢筋混凝土立柱荷载偏心情况分析

底部固结钢筋混凝土立柱分析计算模型如图12所示，其最不利荷载工况为5%不平衡容重+一节段梁重+10年一遇风荷载。为了考察钢筋混凝土立柱的安全性，对不同偏心荷载条件下的立柱进行受力及稳定分析，得到其应力状态与临界荷载系数。其中临界荷载系数又称稳定系数，是稳定分析中对应于某种荷载工况下，结构或构件达到临界失稳状态所需荷载与实际荷载的比值，小于1表明结构或构件在实际荷载下已失稳。

1)竖向荷载偏心0.1 m。

由图13，图14可知，偏心0.1 m的竖向荷载条件下，立柱临时最大压应力13.6 MPa，未出现拉应力，其稳定系数为9.76，满足强度及稳定性要求。

2)竖向荷载偏心0.25 m。

图15，图16给出了偏心0.25 m竖向荷载下立柱应力结果，其最大压应力为20.9 MPa，最大拉应力为4.7 MPa，超过C50混凝土的抗拉强度标准值2.64 MPa。图17表明其稳定安全系数为9.76，稳定性满足要求。

通过上述计算分析可知，在0.1 m的偏心荷载条件下，立柱强度及稳定性均满足要求，而0.25 m偏心荷载条件下立柱已出现拉应力且超过混凝土材料标准抗拉强度，因此实际施工时宜控制偏心距不超过立柱边长的10%。

4 结论和展望

通过上述的分析可知，在考虑5%混凝土容重差异及一节段不平衡施工的荷载条件下，钢筋混凝土立柱轴压强度和稳定性满足要求。但是荷载偏心分析时发现，立柱对拉、压应力变化十分敏感。因篇幅和笔者水平所限，本文仅模拟了两种荷载偏心情形，考虑到现场施工条件的差异性，从保障工程施工可靠性及安全性角度建议：

1)须采取合适措施，保证传递到立柱的竖向荷载偏心距不大于立柱短边的10%；

2)须采取合适措施，防止立柱被外力冲撞，做好立柱变形监测；

3)加强立柱的构造配筋采用双根Φ25的钢筋，并特别注意保持立柱与既有承台的可靠连接。