系梁对陡坡段桩柱式桥墩屈曲稳定性的影响分析

许国龙

（新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

一、引言

我国中西部地区多为山岭重丘区，高等级公路受地形、地质条件和线路平、纵、横指标限制，部分地区生态环境特别脆弱。为了保护脆弱的自然生态环境和有限的耕地资源，避免高填深挖，当路线穿过特别复杂的地形时，不得不沿着陡坡采用全高架或半路半桥的结构形式，因此在中西部高等级公路建设中，桥梁的总造价一般超过了整条公路总投资的30%。位于陡坡上的公路桥梁，下部结构常采用桩柱式桥墩，桩柱式桥墩一般有两种施工方法：一种是采用模板施工，另外一种是采用脚手架施工，对于地形复杂的山区而言一般采用模板施工。对桩柱式高墩，设置柱间系梁，可改善桥梁下部结构受力，施工却存在很大困难。

目前，国内系梁对陡坡段桩柱式桥墩屈曲稳定性的研究比较少，但系梁对陡坡段桩柱式桥墩屈曲稳定性具有十分重要的影响，是目前行业内山区桥梁设计中亟待解决的问题。本文分析研究了G0711乌鲁木齐至尉犁段高速公路中位于陡坡路段的桩柱式高墩，总结了系梁对位于陡坡路段桩柱式桥墩屈曲稳定性的影响。

二、工程概况

G0711乌鲁木齐至尉犁段高速公路某桥桥墩两侧地面坡率大于1：1.25，属于陡坡路段。该桥主梁为预应力钢筋混凝土简支T梁桥，主跨为2×30m，桥面宽12.75m。下部结构采用双圆柱形桩柱式桥墩，材料为C40混凝土，墩高23.8m，墩径1.7m，沿墩高方向设置两道系梁，系梁尺寸为1.5m×1.2m，盖梁顺桥向尺寸为2.4m，横桥向尺寸为12.35m。桩基采用强度等级为C30的混凝土，施工工艺为钻孔灌注桩，单桩轴向受压承载力Ra按摩擦桩计算，桩径1.8m，桩长取20m。地震加速度为0.15g，地震设防烈度为8度，场地类别为Ⅰ类。桩侧土层由桩顶至桩底为：第一层土为约2m厚的圆砾土，第二层土为约10m厚的卵石土，第三层土为约6m厚的强风化砂岩，第三层土为约4m厚的强风化泥质砂岩。土层建议力学参数为：圆砾土，卵石土，强风化泥质砂岩强风化砂岩

三、确定边界条件

桩基埋入土体中，桩侧各层土的力学性质不尽相同，所以墩柱屈曲稳定性受诸多不确定性因素影响。以往对桩柱式桥墩屈曲稳定性的研究，一般都是将桥墩和桩基分别考虑，计算墩柱与盖梁时，将每根桩基截取一定的长度直接固结于底部的等效基础，不计入桩基础对结构的作用，桩基也直接按承受轴向荷载的结构计算，这种方法不够合理，一是因为桥墩和桩基都具有一定的柔度，二是因为陡坡的存在，陡坡段桩位处往往有一定厚度的上覆土层或强风化岩层，桩周土体在钻孔施工的过程中，由于受施工机械的扰动，导致边坡原有的平衡状态遭到破坏，使陡坡产生变形或滑移，此时桩基不仅仅是承受上部结构传递下来的竖向荷载，同时也会承受陡坡产生的横向荷载，这种情况下承载特性异常复杂。总而言之，陡坡段桩基受到的荷载可分为三类：第一类是桩顶的轴向荷载、水平荷载以及偏心轴向荷载产生的弯矩，第二类是桩周坡体由于扰动产生的剩余下滑力，第三类是地基产生的抗力。

桩土边界条件采用土弹簧模拟桩与土的相互作用，真实模拟桩基础。土弹簧的系数由m法计算所得，m取自《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363-2019）附录L中的表P.0.2-1，由于规范提供的取值范围比较大，本文结合地质报告中对各土层的物理力学参数描述，选取中下值，同一土层的m值随也深度的增加而增大。本文利用土弹簧系数建立考虑桩土效应的Midas civil墩柱有限元模型，施加边界条件的方法如下：首先将桩基础离散为1m一个单元，再将桩周土层按照实际地质情况进行分层，然后输入每个节点的土弹簧水平刚度系数，由土弹簧水平刚度系数联立式（1）和式（2）解得。该工程背景的土弹簧水平刚度系数求解过程如表1所示。

式（1）中，mn为第n层土的地基抗力系数的比例系数；zn为第n层土底面到地面的深度；hn为第n层土的厚度；b1为单桩的计算宽度。式（2）中，为形状换算系数，圆形桩取值为0.9，矩形桩取值为1；b为垂直于水平力作用方向的桩宽度。

四、桩柱式桥墩临界荷载系数及失稳模态比较

建立桥墩梁单元模型，输入主梁传递下来的荷载，并且模拟桩土边界条件，计算结果如表2所示。

由表2可知，有无柱间系梁时，纵向最小屈曲临界荷载系数2.7，均出现在第一模态；有柱间系梁时，横桥向最小屈曲临界荷载系数31.3，出现在第三阶模态；无柱间系梁时，横桥向最小屈曲临界荷载系数11.8，出现在第二阶模态，横桥向屈服时，均略带扭转，但临界荷载系数较大，对结构安全无影响。

表1 本工程背景的土弹簧水平刚度系数求解过程

表2 临界荷载系数及失稳模态比较表

五、结语

综上所示，有无柱间系梁，桥墩第一阶屈曲临界荷载系数相同，屈曲模态相同，表明系梁对初始结构屈曲临界荷载无影响；设置柱间系梁，可延迟陡坡段桩柱式桥墩横桥向屈服。