设计参数变化对悬灌法施工连续梁桥墩稳定性的影响分析

摘要：文章以某悬灌法施工连续梁桥超高墩稳定性为研究对象，通过采用Midas Civil有限元软件建立桥墩数值模型，针对不同工况下桥墩结构的稳定性展开了分析，并对结构稳定性参数的影响规律进行了研究。结果表明：一阶模态和二阶模态对桥墩结构的稳定性起到了控制性作用，其横向、纵向的稳定性分别由二阶和一阶模态控制；工况一～工况三作用下桥墩结构失稳的主要类型均为结构纵向稳定性，且临界荷载系数满足规范要求，处于稳定状态；温差增大时，一阶、二阶的临界荷载系数均减小，温差作用对结构的横向稳定性影响较大，对结构的纵向稳定性影响相对较小；墩高增大时，一阶和二阶的临界荷载系数均减小，墩高变化对结构的横向稳定性影响较大，对结构的纵向稳定性影响相对较小；相比于温差和墩高变化，纵向和横向风荷载变化对结构稳定性的影响程度非常小，起不到决定性作用。

关键词：连续梁桥墩；悬灌法；设计参数；稳定性；数值分析

0引言

连续梁桥悬灌法施工技术因具有技术完善、受峡谷及气候环境等影响小，并且所需施工面小，机械可多次重复使用等优点，被广泛地应用于桥梁修筑当中［1-2］。但在国内一些环境复杂恶劣的地区，连续梁桥悬灌法施工方法仍面临着诸多挑战，尤其对于超高墩，影响更大［3-4］。国内一些学者做了相关研究，张花［5］以某工程为研究对象，采用数值模拟的方法，分析了坡度、支座横向间距和跨径对桥梁稳定性的影响，结果表明，坡度增大会降低桥梁稳定性，增大支座横向间距可以有效提高连续梁桥的整體稳定性，增大跨径基本对桥梁的整体稳定性无影响。夏彬等［6］通过分析得出，设计人员要根据有限元软件等多种技术详细分析设计参数与桥梁稳定性影响，并根据设计方法进行调整，以实现结构的安全稳定。任超［7］以某连续刚构桥为研究对象，采用ANSYS软件建立数值模型，分析了不同参数变化对高墩大跨连续刚构桥施工过程稳定性影响的规律及原因。田国伟［8］以某大桥主桥为研究对象，分析了参数变化对结构挠度的敏感性影响，并根据参数情况对理论计算进行调整，使结构的线形和内力更加符合桥梁稳定性要求。本文主要以某悬灌法施工连续梁桥超高墩稳定性为研究对象，采用Midas Civil软件建立桥墩数值模型，针对不同工况下桥墩结构的稳定性展开了分析，并对结构稳定性的参数影响规律进行了研究，研究结果可为同类桥梁工程的设计提供参考。

1 工程概况

某山区拟建大桥梁体为箱梁，总长度为368 m，采用（64+122×2+64）m布置形式，箱梁的顶板宽度为8.4 m，箱梁的底板宽度为6.2 m，梁高为4.2～8.5 m，桥墩高度为94～116 m。本文以116 m桥墩的超高墩为例，重点研究了在最大悬臂状态（悬臂长度为62 m）与合龙状态下桥墩结构的稳定性。

2 数值建模

2.1 模型的建立

如图1所示为采用Midas Civil软件建立的桥墩模型，模型中桥梁跨度为126 m，两端各取掉1 m，最终桥墩中心距离悬臂端为62 m，桥墩高度为116 m，整个“T”型结构一共划分158个节点、155个单元。

由于箱梁与桥墩分别采用C55、C35强度等级的混凝土，因此在模拟计算过程中箱梁、墩身及钢绞线等材料的参数取值如表1所示。

2.2 工况设置

本文共设置3种不同计算工况。

（1）工况一：结构自重+施工时挂篮荷载。

（2）工况二：工况一+温差+纵向风荷载。

（3）工况三：工况一+温差+横向风荷载。

在计算过程中风荷载按照《公路桥梁抗风设计规范》（CJTG/T D60-01-2004）中相关规定进行计算，温差取10℃；挂篮等其它材料自重取值如表2所示。

3 数值结果分析

3.1 不同工况下结构稳定性分析

工况一作用下结构一阶、二阶、三阶和四阶模态的临界荷载系数和屈曲方向如表3所示。由表3可知，一阶模态和二阶模态是控制结构性稳定的主要模态，而且结构的横向稳定性由二阶模态控制，结构的纵向稳定性由一阶模态控制（见图2）。工况一作用下的一阶模态最小，对应的结构失稳的主要类型为结构纵向稳定性，按照规范中纵向和横向临界荷载系数均要＞4.0的规定可知，该桥墩结构在工况一作用下的稳定性满足规范要求。

如表4所示给出了工况二、工况三状态下的临界荷载系数和屈曲方向。由表4可知，结构的横向稳定性由二阶模态控制，结构的纵向稳定性由一阶模态控制。工况二和工况三作用下均是一阶模态最小，结构失稳的主要类型均为结构纵向稳定性，同时工况二、工况三作用下的临界荷载系数均符合现行规范标准，即表明桥墩结构处于稳定状态。

此外，将工况一～工况三的临界荷载系数进行对比分析可知，3种工况下，工况二的结构纵向稳定性最差，工况三的结构横向稳定性最差。但无论施加纵向风荷载或者横向风荷载，其稳定性均主要由结构的纵向稳定性控制。

3.2 参数敏感性分析

临界荷载系数是反映结构稳定性最直接的参数，本节主要通过研究改变温差、墩高、横向荷载和竖向荷载变化对临界荷载系数的影响来反映相关参数的敏感性。

超高墩连续梁桥因墩身高度大、刚度小，非常易受温差作用影响。如图3所示，为结构临界荷载系数随温差变化曲线，取温差分别为5°、10°、15°、20°和25°进行研究分析。由图3可知，随着温差的增大，一阶和二阶的临界荷载系数均减小，相比于温差为5°时，温差分别为10°、15°、20°和25°时一阶临界荷载系数依次分别减少了6.8%、12.4%、16.1%和19.9%，对应二阶临界荷载系数依次分别减少了6.7%、11.9%、21.6%和28.4%，即随着温差的增大，一阶临界荷载系数减小幅度较小，二阶临界荷载系数减小幅度较大。由此可知，温差作用对结构的横向稳定性影响较大，对结构的纵向稳定性影响相对较小。因此，在温差较大的地区进行高墩连续梁桥结构设计时，要充分考虑昼夜温差对结构的横向稳定性影响，以免温差作用对结构稳定性产生的不良影响。

随着墩身设计高度的增大，墩身截面积逐渐增大，且墩身高度一直是影响连续梁桥稳定性重要的因素。如下页图4所示，为结构临界荷载系数随墩高变化曲线，取墩高分别为55 m、85 m、115 m、145 m和175 m进行研究分析。由图4可知，随着墩高的增大，一阶和二阶的临界荷载系数均减小，相比于墩高为55m时，墩高分别为85 m、115 m、145 m和175 m時，一阶临界荷载系数依次分别减少了13.6%、29.3%、62.1%和76.3%，对应二阶临界荷载系数依次分别减少了17.2%、37.3%、61.5%和76.7%，即随着墩高的增大，一阶临界荷载系数减小幅度较小，二阶临界荷载系数减少幅度较大。由此可知，墩高变化对结构的横向稳定性影响较大，对结构的纵向稳定性影响相对较小。

由前节工况二和工况三可知，风荷载会对结构的稳定性产生一定影响，为了分析风荷载变化对结构的稳定性变化规律，下面主要通过增大风荷载的倍数来分析探讨。

如图5所示，为结构临界荷载系数随横向风荷载变化曲线，取原始横向风荷载和横向风荷载分别增大0.5倍、1倍、1.5倍和2倍进行研究分析。由图5可知，随着横向风荷载的增大，一阶和二阶的临界荷载系数基本保持不变，相比于原始横向风荷载，横向风荷载分别增大0.5倍、1倍、1.5倍和2倍时一阶临界荷载系数依次分别减小了0.7%、1.4%、2.1%和2.7%，对应二阶临界荷载系数依次分别减少了0.6%、1.3%、2.2%和3.4%，即随着横向风荷载的增大，一阶、二阶临界荷载系数均略微减少，横向风荷载对横向稳定性的影响略大于对纵向稳定性的影响。

如图6所示，为结构临界荷载系数随纵向风荷载变化曲线，取原始纵向风荷载和纵向风荷载分别增大0.5倍、1倍、1.5倍和2倍进行研究分析。由图6可知，随着纵向风荷载的增大，一阶和二阶的临界荷载系数基本保持不变，相比于原始纵向风荷载，纵向风荷载分别增大0.5倍、1倍、1.5倍和2倍时一阶临界荷载系数依次分别减小了1.4%、3.5%、5.7%和8.5%，对应二阶临界荷载系数依次分别减小了0.6%、2.0%、2.9%和4.1%，即随着纵向风荷载的增大，一阶、二阶临界荷载系数均略微减小，纵向风荷载对纵向稳定性的影响略大于对横向稳定性的影响。

通过将风荷载变化与温差、墩高变化进行对比可知，相比于温差和墩高变化，纵向和横向风荷载变化对结构稳定性的影响程度都非常小，起不到决定性作用。

4 结语

本文主要以某悬灌法施工连续梁桥超高墩稳定性为研究对象，通过采用Midas Civil软件建立桥墩数值模型，针对不同工况下桥墩结构的稳定性展开了分析，并对结构稳定性的参数影响规律进行了研究，得到以下结论：

（1）一阶模态和二阶模态对桥墩结构的稳定性起到了控制性作用，其中结构的横向稳定性主要由二阶模态控制，结构的纵向稳定性则由一阶模态控制。工况一～工况三作用下桥墩结构失稳的主要类型均为结构纵向稳定性，且临界荷载系数满足规范要求，处于稳定状态。

（2）随着温差的增大，一阶、二阶的临界荷载系数均减小，温差作用对结构的横向稳定性影响较大，对结构的纵向稳定性影响相对较小。

（3）随着墩高的增大，一阶和二阶的临界荷载系数均减少，墩高变化对结构的横向稳定性影响较大，对结构的纵向稳定性影响相对较小。

（4）相比于温差和墩高变化，纵向和横向风荷载变化对结构稳定性的影响程度非常小，起不到决定性作用。

参考文献：

［1］李雪强.用机制砂和掺合料双掺配制C55混凝土百米高程泵送悬灌梁施工技术［J］.施工技术，2020，49（S1）：1 402-1 404.

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［5］张 花.设计参数变化对连续梁桥整体稳定性影响分析［J］.兰州工业学院学报，2019，26（4）：20-23.

［6］夏 彬，戚中洋.连续梁桥设计参数变化对整体稳定性的影响分析［J］.建筑技术开发，2020，47（10）：129-130.

［7］任 超.大跨度悬灌连续梁施工中线形控制技术的应用［J］.智能城市，2021，7（6）：51-52.

［8］田国伟.悬灌法施工条件下超高墩连续梁稳定性分析［J］.福建交通科技，2021（6）：95-98.

作者简介：叶羽升（1988—），工程师，主要从事高速公路监理、检测工作。