PC斜拉桥“X”形桥墩力学性能研究

摘要 为研究预应力混凝土斜拉桥“X”形桥墩在施工过程中及长期运营过程中的力学性能，该文以某在建PC斜拉桥为项目为背景，建立Midas/Civil有限元分析模型，对“X”形桥墩施工过程及成桥后主墩的受力状态进行模拟。分析了“X”形桥墩在施工过程中布设临时横撑（拉杆）对结构刚度、强度及稳定性的影响，长期收缩徐变后“X”形桥墩的力学性能变化，并根据计算结果，明确后续健康监测中应重点关注的部位。

关键词 预应力混凝土斜拉桥；“X”形桥墩；有限元分析模型；力学性能；临时横撑（拉杆）

中图分类号 U448 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）23-0013-05

0 引言

在桥梁工程领域，异形桥墩以其独特的美学设计而备受推崇，然而异形桥墩的施工技术与混凝土的收缩和徐变行为分析，是确保桥梁结构安全、持久和功能实现的关键研究点。这两个领域的深入研究对于桥梁工程的质量和性能至关重要，近年来国内学者在这两个领域取得了一系列研究成果，推动了桥梁工程的发展。

对于异形桥墩施工方面，王健[1]研究了异形桥墩的模板设计、钢筋加工和混凝土浇筑施工技术，采用BIM技术对模板进行了验算，并对钢筋的加工、下料制作以及钢筋成型的碰撞进行了优化与检测。强伟亮等[2]通过有限元法分析了“Y”形桥墩结构受力，设计了定制型钢主梁与钢管立柱组合支架体系，确保结构顺利施工。王战国等[3]提出在“V”形桥墩中部张拉临时刚钢束以减小或消除“V”形桥墩根部出现的拉应力，并通过限元软件建立了“V”形桥墩三维实体单元模型，通过实测数据验证该方法的实用性。张杰[4]通过对某高速公路工程大悬臂花瓶墩建立实体有限元模型，针对结构异形的特点，考虑不利工况下不同传力路径应力分布状况，并对施工过程进行了相应指导。

混凝土桥梁收缩徐变方面，黄春亮等[5]通过建立空间有限元预测模型，对成桥时刻、运营10年后的收缩徐变影响进行分析，得出收缩徐变对矮塔斜拉桥主体结构各组成部分均有较大影响的结论，并提出在设计及施工过程中应引起足够的重视并进行关键控制。熊志朋等[6]采用与实桥相同的材料，建立几何缩尺比1∶40的三跨连续刚构模型和简支梁模型。分析缩尺模型桥的混凝土收缩徐变变化规律，与预测模型对比分析，验证了现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）[7]的可靠性。姜海君[8]用BSAS和Midas/Civil软件对不同规范收缩徐变变形结果进行对比分析，同样表明采用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）来计算收缩徐变变形与工程实际更为接近。

目前“X”形桥墩施工及收缩徐变的相关研究较少，缺乏该类异性桥墩在施工过程中及长期收缩徐变中的相关结论，对此，该文在相关的研究基础上，采用Midas/Civil

软件，对“X”形桥墩施工过程中的刚度、强度、稳定性进行了计算分析，并通过采用临时横撑（拉杆）的方式改善结构受力，同时分析墩身在长期收缩徐变后位移、应力的变化情况，并得出相应结论。

1 工程概况

主桥上部结构采用（118+220+118）m预应力混凝土斜拉桥，采用单箱双室大悬臂斜腹板展翅宽幅箱形主梁，人字形主塔，单索面扇形、横向双排布置斜拉索，塔梁墩固结体系，下部采用“X”形双肢薄壁墩，群桩基础。图1中两主墩由左至右分别为12#、13#墩。

桥梁主墩采用C40混凝土，12#墩高50 m，塔肢厚2.5 m，总宽12 m。采用悬臂模板并以4.5 m为标准节段进行施工，12#墩与13#墩结构类型完全一致，仅墩高有较小差别，因此该文仅以12#墩进行分析，如图1所示。

2 有限元分析模型建立

该文计算模拟采用Midas/Civil有限元模拟程序，依据设计图纸、施工方案建立全桥模型，模拟了桩基施工、主墩施工、主梁悬臂现浇、预应力张拉、斜拉索张拉、边跨现浇、边跨合龙、中跨合龙等关键施工阶段结构的力学性能。全桥共采用600个节点、421个梁单元与88个桁架单元，其中桩基、墩柱、主梁桥塔均采用梁单元模型，斜拉索采用桁架单元模拟，全桥有限元模型如图2所示。

该文重点研究“X”形双肢薄壁墩施工过程及长期运营后的力学性能，为方便描述，对墩身关键位置进行了编号，如图3所示。位置1、2为墩身与承台刚接处，位置3、4、5、6为双肢合龙段，位置7、8为墩身与主梁0#块刚接处。

3 施工过程分析

对于“X”形桥墩施工，双肢合龙位置以下位置施工时，重力作用使得墩身内倾，同时也会引起外侧墩底产生一定的拉应力，同样双肢合龙以上施工时也存在墩身外倾的问题。对此，建立了一组在墩柱施工过程中设有临时横撑（拉杆）的有限元模型，分析施工过程中临时横撑（拉杆）对墩身强度、刚度及稳定性的影响。

从结构所受弯矩来讲，直线倾斜式的悬臂杆件仅在重力作用下时，固定端位置处受较大的弯矩作用，若对悬臂结构中心位置处施加水平支撑，则能够使得该位置与固定端弯矩同时达到最优，尽可能减小构件最大弯矩。“X”形桥墩双肢合龙前，双肢以“∧”形向中心线内侧收拢，仅设一道临时横撑时可将撑杆位置设于下肢高度一半处，呈“A”字形构造；合龙后，双肢以“V”形向中心线外侧方向延伸，同样需考虑在上肢高度一半处施加水平约束，此时考虑墩身较高，为保证足够的安全系数，在0#块梁底2.5 m以下再设置一道水平约束。因此，对于该桥塔柱施工时，考虑共采用1道水平横撑及2道水平拉杆。如图3所示，横桥向布置两道，共布置6根Φ630×9 mm钢管。

墩柱施工过程中，已浇筑部分拉应力及悬臂端最大位移的控制对于结构整体施工安全性及可靠性尤为重要，该小结分析了布设临时横撑（拉杆）后，墩身在施工中最不利位置的应力及顺桥向位移情况，分别如图4与图5所示。

如图4所示，第一道横撑施工前，两组模型完全一致，位置1处出现最大0.23 MPa拉应力，此时布设第一道临时横撑将减小后续阶段的拉应力。当双肢墩身施工至合龙段前时，施加的第一道临时横撑发挥最大作用，对比未布设临时横撑的桥墩，位置1最大拉应力由0.89 MPa减小至0.08 MPa。当双肢墩合龙并继续向上施工时，墩柱将在重力作用下发生外倾，此时，结构受力最不利位置将由位置1处转变为位置3处。第一、二道临时拉杆的布设使得位置3处最大0.83 MPa拉应力减小为0.03 MPa压应力。图5所示为布设横撑后墩身最大水平位移的对比，同应力对比结果类似，当布设第一道临时横撑后，墩身最大水平位移由3.50 mm减小至1.18 mm；第一、二道临时拉杆的布设使得最大水平位移由4.41 mm减小至1.83 mm。

受压构件在受到扰动作用下可能从原有的平衡状态转移到新的平衡状态，这种情况称为失稳。在斜拉桥中，墩柱是主要的承重构件，主要承受轴向压力和一定的弯矩，因此，稳定性问题比较明显，本部分对“X”形桥墩在施工过程中的稳定性进行分析。采用Midas/Civil建立墩柱的有限元屈曲分析模型，分析了布设临时横撑对墩柱施工过程中稳定系数的影响，工况定义为：自重+顺桥向风荷载（均设为可变系数）。

当结构加载至荷载工况中可变系数的k倍时，结构将会发生失稳，那么此时的k即为结构的稳定系数，模型中将自重与顺桥向风荷载均设为可变系数，则通过屈曲分析计算出的稳定系数为结构将在承载k倍的自重与顺桥向风荷载后发生失稳，计算结果如表1所示。

计算结果表明：结构的第一阶稳定系数约为94，远大于规范中所要求的4。结构的前三阶失稳均是由于桩基发生侧向或扭转变形，由于临时横撑（拉杆）并不能直接影响桩基的稳定性，且额外增加的自重对于桩基来说为不利荷载，因此，布设临时横撑（拉杆）后前两阶稳定系数反而有所减小。第四、五阶失稳发生在“X”形桥墩的墩身位置，此时临时横撑（拉杆）将起到一定的增强结构稳定性作用，稳定性系数由322.47增至323.26，但由于墩身具有较大的截面尺寸与较小的长细比，临时横撑（拉杆）对墩身稳定系数的提升可忽略不计。

4 长期收缩徐变分析

异形混凝土桥墩在长期受到收缩和徐变的影响后，主要表现为结构变形的增加，包括纵向和横向收缩，这些变形可能导致应力重分布，降低结构的承载能力和耐久性。因此在长时间运营过程中，需要采用合理的预测模型，以确保桥梁的安全性和适用性。

本部分同样采用Midas/Civil有限元分析程序，并添加时间依存材料，依次分析了恒载作用下，桥状运营1年、2年……10年后“X”形桥墩关键位置处的应力、位移变化。经10年收缩徐变后，全桥结构整体的侧移情况如图6所示。

由图6可知，经长期收缩徐变后，全桥结构将产生最大46.23 mm的侧移，12#主墩墩身整体向中跨方向侧移。长期收缩徐变对墩柱的影响如图7、8所示，水平位移增量在第一年最大，经10年收缩徐变后，各位置点处的水平位移量增长速率减缓，表明后续水平位移量趋于稳定，随着选取位置点高度的越大，墩柱10年后收缩徐变引起的侧移量越大。对于位置7、8处，二期铺装完成后，结构在自身恒载及斜拉索的作用下在水平方向分别产生12.09 mm、9.79 mm位移，经过10年运营后，两处最大位移分别为31.87 mm、28.39 mm，二者之差可得出位置7、8处10年收缩徐变引起的最大侧移量约为19.78 mm、18.60 mm，即墩顶与主梁0#块位置刚接处将产生最大19.78 mm的增加量。对于一般构件来讲，高度是影响其侧向刚度的主要影响因素，因此选取位置较低的位置点来分析时，墩身的侧移量相对于墩顶位置处的侧移量明显较小。

墩柱10年收缩徐变后竖向位移情况如图9、10所示，同样可以看出随着运营年限的增加，各关键位置处的竖向位移量明显增大，但增长速率逐渐减小，整体趋于稳定。对于墩顶位置8处在成桥状态下产生19.95 mm位移，经10年运营后，最大增至31.04 mm，产生约11.09 mm的附加竖向位移，因此后续桥梁健康监测中，对于桥墩长期位移监测应重点关注墩顶与主梁0#块位置刚接处的位移变化情况。

图11、12展示了结构关键位置处结构的应力变化情况，对于12#墩受力来说，长期收缩徐变将引起墩身向中跨方向的侧移，引起位置1处受拉，减小位置1处的最大压应力，该结论与图9中计算的结果相符合，成桥阶段至10年收缩徐变后，在恒载作用下，位置1处压应力由5.64 MPa缓慢减少至5.31 MPa，由此也可得知，长期的收缩徐便会对位置1处产生0.33 MPa的附加拉应力。位置点4、5、6、7处在长期收缩徐变后，应力会发生明显增长，位置5处最大引起0.8 MPa的附加压应力。

5 结论

该文以某在建项目中的预应力混凝土斜拉桥施工为背景，通过采用有限元分析的方法，分析了其“X”形桥墩在施工过程中的力学性能变化及经长期运营后墩柱受收缩徐变影响的影响情况，依据分析结果得出以下几点结论 ：

（1）对于悬臂倾斜式的墩身施工，在其高度方向中部位置布设临时横撑（拉杆）能够显著减小结构水平位移及最大拉应力；

（2）当桥墩截面较大时，桥墩自身具有较高的稳定系数，临时横撑（拉杆）对于墩身稳定系数的影响可忽略不计；

（3）经过长期运营后，“X”形桥墩在收缩徐变的影响下将会整体向中跨方向产生较大的侧向位移及附加应力；

（4）墩身第一年的应力、位移受收缩徐变影响最大，后续影响逐渐减小，对此建议后续桥梁健康监测中宜重点关注第一年墩身与承台刚接处的附加拉应力增长情况及墩顶位置处的侧移情况。

参考文献

[1]王健.桥梁异形桥墩施工技术研究[J].市政技术， 2023（8）：217-226+303.

[2]强伟亮，李飞，陶波.公轨结合桥Y形桥墩双层系梁现浇施工技术研究[J].天津建设科技， 2020（4）：14-17.

[3]王战国，张卫国.V形桥墩施工关键控制研究[J].城市道桥与防洪， 2018（10）：128-131+17

[4]张杰.大跨预制箱梁分幅架设施工过程中花瓶形桥墩空间受力分析[J].中外公路， 2017（4）：156-161.

[5]黄春亮，骆俊杰，李蓉，等.收缩徐变效应对三塔单索面矮塔斜拉桥的影响分析[J].中外公路， 2021（4）：192-197.

[6]熊志朋，陈瑛，黄福伟.大跨连续刚构桥收缩徐变模型试验研究[J].交通科技， 2021（3）：9-12.

[7]公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范： JTG 3362—2018[S].北京：人民交通出版社， 2018.

[8]姜海君.铁路大跨度连续刚构收缩徐变计算分析[J].铁道建筑技术， 2021（12）：5-10.