高墩大跨连续刚构桥稳定分析

刘 军

（山西工程职业学院，山西太原 030009）

0 引言

连续刚构桥以其适应地形能力强、行车舒适、经济性能好等诸多优势，在桥梁工程中得到广泛青睐，然而，随着墩高及跨径的增长，结构变得越来越柔，对其稳定性的研究就显得尤为重要，高墩的稳定性分析与强度问题具有同等重要的意义，是合理设计的关键[1]。本文基于特征值屈曲分析的有限元方法，以山西省某座高墩大跨连续刚构桥为依托，进行了裸墩、施工阶段最大悬臂状态以及成桥阶段稳定性分析，所得结论可为同类桥梁的设计和施工提供参考。

1 工程概况

某特大桥主桥为跨径（83+155+83）m 的一座三跨预应力混凝土连续刚构桥，上部结构为单箱单室变截面箱梁，箱梁顶板宽12.5 m，底板宽6.5 m，根部梁高9.7 m，端部及跨中梁高3.5 m，箱梁下缘采用1.7 次抛物线，主梁采用C55 混凝土，桥型布置图如图1 所示。下部结构过渡墩（6 号、9 号）采用独柱式空心矩形截面，主墩（7 号、8 号）为双肢薄壁墩，采用C40 混凝土，截面尺寸如图2 所示。

图1 桥型布置图（单位：m）

图2 双肢薄壁墩截面（单位：m）

2 有限元模型的建立

为了有针对性地开展研究，本文就高墩连续刚构桥裸墩状态、施工阶段最大悬臂状态、成桥状态3 个典型阶段分别进行了稳定分析，有限元计算模型如图3所示。本文仅输出对实际工程稳定研究具有指导意义的第一阶失稳模态。

图3 成桥阶段稳定性分析有限元模型

3 计算分析[2-4]

3.1 裸墩状态稳定性分析

本文以7 号高墩为研究对象，裸墩状态考虑的主要荷载有：结构自重；墩顶施工荷载，取值3 768 kN；桥墩横向风荷载4.2 kN/m；桥墩纵向风荷载12.3 kN/m。桥墩风荷载按照《公路桥梁抗风设计规范》计算取值，计算工况如表1 所示，结果如表2 所示。

表1 裸墩状态下自体稳定性计算工况

表2 裸墩状态下自体稳定性计算结果

计算结果显示，各工况对应失稳模态均为纵桥向失稳，最小特征值28.6，裸墩状态下结构稳定性较好。同时还可看出，裸墩自重作用下屈曲稳定特征值最大，其余3 个工况特征值基本相同，施工荷载会对主墩稳定产生不利影响，而风荷载对结构稳定影响甚微，这是因为与结构自重相比，风荷载数值较小，对结构几何刚度矩阵的影响可以忽略不计。

3.2 施工阶段最大悬臂状态稳定性分析

3.2.1 荷载类型及荷载组合工况

高墩大跨连续刚构桥悬浇施工中，最大悬臂状态下的结构稳定至关重要。该阶段考虑的荷载主要有：

a）结构自重 包括最大悬臂主梁及墩身，混凝土容重取26 kN/m3。

b）挂篮自重 取值1 000 kN，考虑挂篮动力系数（一侧1.2，一侧0.8）。

c）不均匀堆放机具 考虑于一侧悬臂施加8.5 kN/m的均布荷载，并在端部作用集中力200 kN。

d）梁段浇筑不同步引起误差 末节段混凝土一端增大20%，另一端减小20%。

e）梁体自重不均匀 按一侧增大5%，另一侧减小5%计。

f）横向风荷载 按照《公路桥梁抗风设计规范》中相应的规定计算并施加于主梁及桥墩，计入主梁横向风荷载和主墩横向风荷载，施工期抗风风险系数取10年重现期系数0.84。

g）纵向风荷载 按照规范《公路桥梁抗风设计规范》中相应的规定计算并施加于主梁及桥墩，计入主梁纵向风荷载和主墩纵向风荷载。

h）横向不平衡风荷载 按《公路桥梁抗风设计规范》计算取值，以1.0FH 和0.5FH 沿横向分别施加于两侧悬臂。

i）挂篮跌落 跌落一侧反向施加2 倍挂篮自重。

该阶段计算考虑了挂篮正常、非正常（单侧挂篮跌落）工作两种情况，每种情况包括6 种工况，如表3 所示，结果如表4 所示。为便于对比，将最大悬臂状态结构自重列为工况7。

表3 施工阶段最大悬臂状态下稳定性计算工况

表4 施工阶段最大悬臂状态下稳定性计算结果

3.2.2 计算结果分析

从计算结果可知，与裸墩阶段相比，最大悬臂施工阶段的稳定性主要由结构自重控制，且最大悬臂状态的一阶失稳模态为横桥向失稳，这是因为该阶段桥墩双肢共同协作使得顺桥向刚度大于横桥向，结构向刚度较弱的方向发生失稳所致。

3.3 成桥阶段稳定性分析

3.3.1 荷载类型及荷载组合工况

合龙后，桥梁结构由原来的静定体系转变为超静定体系，该阶段考虑的荷载有：结构自重；二期恒载66.6 kN/m；风荷载，按《公路桥梁抗风设计规范》计算取值，计入主梁纵、横向风荷载和主墩纵、横向风荷载，按百年一遇（1%）风荷载设计；汽车荷载，以静载形式加载到模型，按墩顶轴向力最不利影响线进行加载，计算工况及结果如表5、表6 所示。

表5 成桥阶段稳定性计算工况

表6 成桥阶段稳定性计算结果

3.3.2 计算结果分析

从计算结果可知，成桥阶段稳定性同样由自重荷载控制，且较最大悬臂状态有了一定的提高。该阶段风荷载对结构稳定影响较小，汽车荷载对结构稳定有一定的影响，不可忽略。

4 结论

本文对主桥（83+155+83）m 的高墩大跨连续刚构桥裸墩、最大悬臂、成桥阶段的稳定性进行了计算分析，得出如下结论：

a）该桥在施工及成桥阶段均具有较好的稳定性，且各阶段稳定性主要由自重荷载控制，施工过程中应严格按照设计要求控制结构尺寸。

b）裸墩状态时，结构属于静定体系，风荷载对结构稳定影响甚微，该阶段稳定性不控制设计；最大悬臂状态时，结构体系未发生改变，因双肢共同协作，桥墩向刚度较弱的方向发生失稳；成桥阶段，结构转变为超静定体系，该阶段风荷载影响较小，汽车荷载对结构稳定有一定的影响，不可忽略，该阶段结构稳定不控制设计。

c）通过3 个典型阶段稳定性分析，最小稳定特征值为17.77，发生在最大悬臂状态，是结构稳定分析的控制阶段，在设计和施工阶段应对引起结构失稳的因素给与足够重视并严格控制，尤其长细比超过规范强度验算范围时，还需进行第二类稳定验算。