剛構(gòu)墩墻【連續(xù)剛構(gòu)橋高墩施工階段穩(wěn)定性
分析】
摘要：由于大跨連續(xù)剛構(gòu)橋日益廣泛采用高強(qiáng)、薄壁結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定問題顯得越來越重要。文中以某二級(jí)路剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘埃\(yùn)用有限元計(jì)算軟件建立其計(jì)算模型，采用線彈性穩(wěn)定分析方法對(duì)墩自體施工階段和最大懸臂施工狀態(tài)下不同荷載工況的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得到各工況下的穩(wěn)定系數(shù)，考慮了初始幾何缺陷對(duì)墩穩(wěn)定性的影響。 關(guān)鍵詞：連續(xù)剛構(gòu)穩(wěn)定性最大懸臂初始幾何缺陷
引言
穩(wěn)定問題是要找出外荷載與結(jié)構(gòu)內(nèi)力抵抗力間的不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，即變形開始急劇增長(zhǎng)的狀態(tài)，是一個(gè)變形問題。橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是關(guān)系該橋的安全與經(jīng)濟(jì)的主要方面之一，它與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題有同樣的重要意義。隨著我國(guó)交通事業(yè)的蒸蒸日上，特別是近些年來，公路交通建設(shè)正快速不斷地向山區(qū)延伸。其中受到地形方面限制，修建公路時(shí)常跨越溝谷、河流，致使高墩的修建日益增多。由于大跨度橋梁日益廣泛地采用高強(qiáng)材料和薄壁結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定問題更為突出，甚至有時(shí)對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的受力起控制作用。因此對(duì)此類橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工組
織中有必要對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以確保結(jié)構(gòu)的安全性能。本文以某二級(jí)公路高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘埃治銎涓叨盏姆€(wěn)定性。
一、工程概況
該大橋起、終點(diǎn)樁號(hào)分別為K63+775-K64+368，主橋上部構(gòu)造為(60+110+110+60)m四跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁。箱梁斷面采用單箱單室，根部梁高6.5m，跨中梁高2.6m，頂板厚25cm，底板厚從跨中至根部由28cm變化70cm，腹板從跨中至根部分三段采用40cm、65cm、70cm三種厚度，箱梁高度和底板厚度按2次拋物線變化。主墩墩身采用單肢變截面空心薄壁墩，墩頂截面尺寸7.2×8.1m，壁厚1.2m，三個(gè)主墩墩高分別為92m、88m、50m。
圖1：主橋立面圖（cm）
二、計(jì)算參數(shù)
表1：材料參數(shù)表
風(fēng)荷載計(jì)算：依據(jù)JTGD60一2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[4]第4．3．7條規(guī)定橋墩橫橋向風(fēng)壓：
w=k0k1k3wd①
wd=k2k5k0②
式中：w0為(昭通)百年一遇基本風(fēng)壓，0.4kPa；wd為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)壓；k0為設(shè)計(jì)風(fēng)速重現(xiàn)期換算系數(shù)，大橋?yàn)?.0；k2為
考慮地面粗糙度類別和梯度風(fēng)的風(fēng)速高度變化修正系數(shù)，查表為1.0～1.42；k1為地形、地理?xiàng)l件系數(shù)，查規(guī)范為1.3；k3為風(fēng)載阻力系數(shù)1.3；k5為陣風(fēng)風(fēng)速系數(shù)，查表為1.38。經(jīng)過計(jì)算得橋梁橫向風(fēng)壓：W=0.933kpa～1.325kpa(隨墩高變化)；縱向風(fēng)壓：0.7倍橫向聯(lián)合風(fēng)壓W=0.653kpa～0.927kpa(隨墩高變化)。
三、高墩穩(wěn)定問題有限元分析
本計(jì)算分析采用專用有限元程序MIDAS/CIVIL2010軟件進(jìn)行屈曲分析，墩高為92m。穩(wěn)定問題分為兩類，一類是分支點(diǎn)失穩(wěn)問題，另一類是極值點(diǎn)失穩(wěn)問題。實(shí)際工程中一般表現(xiàn)為第二類失穩(wěn)。但是，由于第一類穩(wěn)定是特征值問題，求解方便，許多情況下兩類問題的臨界值又相差不大，因此研究第一類穩(wěn)定問題仍有重要的工程意義。如果荷載{F}達(dá)到λcr{F}時(shí)，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)隨遇平衡狀態(tài)，當(dāng){δ}變?yōu)閧δ+△δ}時(shí)使得位移產(chǎn)生的力為零也就是此時(shí)結(jié)構(gòu)的總剛度為零，滿足下面方程式：([KD]+λ[KG]){△δ}=δ③
這就是計(jì)算穩(wěn)定安全系數(shù)的特征值方程，如果剛才有n 階，那么理論上存在n個(gè)特征值。但是在實(shí)際工程中只有最小的特征值才有實(shí)際意義，此時(shí)特征值為λcr，臨界荷載值為
λcr{F}。
（一）高墩自體穩(wěn)定性分析
高墩在竣工之后所承受的荷載是自重、縱向風(fēng)載、橫向風(fēng)載。
1.自重+縱向風(fēng)載作用下高墩自體穩(wěn)定性
通過有限元軟件對(duì)該橋的穩(wěn)定性分析，結(jié)果如下：
表2：自重+縱向風(fēng)載作用下特征值分析結(jié)果
2.自重+橫向風(fēng)載作用下高墩自體穩(wěn)定性
通過有限元軟件對(duì)該橋的穩(wěn)定性分析，結(jié)果如下：
表3：自重+橫向風(fēng)載作用下特征值分析結(jié)果
圖2：墩身自體面內(nèi)縱向失穩(wěn)模態(tài)圖
（二）高墩施工至最大懸臂狀態(tài)時(shí)穩(wěn)定性分析
高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工到最大懸臂端穩(wěn)定性最差，因此分析此階段結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是很有必要的。又由于最大懸臂處結(jié)構(gòu)仍是靜定的，高墩可簡(jiǎn)化為一端固結(jié)，一端懸臂的壓桿來求解。本工程實(shí)例中，根據(jù)實(shí)際可能出現(xiàn)的情況，參考國(guó)內(nèi)其他連續(xù)剛構(gòu)橋梁可能取值，考慮如下最大懸臂狀態(tài)時(shí)的施工荷載：
①剛構(gòu)橋T構(gòu)最大懸臂狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)自重
②施工所采用的輕型三角掛籃荷載，根據(jù)掛籃設(shè)計(jì)圖紙掛籃重量按45t考慮
③考慮施工的尺寸誤差、梁體重量的變異性等因素影響，造成兩側(cè)懸臂的梁體自重不均勻。一側(cè)取1.05倍梁重，另一側(cè)
取0.95倍梁重。
④堆積在橋面上的施工臨時(shí)荷載，懸臂時(shí)一側(cè)沿臂長(zhǎng)方向施加2kN/m的均布荷載，另一側(cè)暫時(shí)沒有堆積。
⑤最大懸臂狀態(tài)時(shí)一側(cè)掛籃突然跌落，計(jì)入沖擊系數(shù)2.0
⑥順橋向沿墩高方向作用縱向風(fēng)荷載
⑦從安全角度出發(fā)，當(dāng)主墩施工到最大懸臂長(zhǎng)度時(shí)，取一端懸臂承受100%的風(fēng)荷載，而另一端為空載，沿臂長(zhǎng)方向q橫=3.445KN/m～8.613KN/m。
最大懸臂狀態(tài)下模型計(jì)算工況考慮以下幾種組合：
各工況計(jì)算出的穩(wěn)定系數(shù)如下表所示：
表4：各工況下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)表
圖3：最大雙懸臂施工階段面內(nèi)縱向失穩(wěn)模態(tài)圖
在上述幾種荷載工況下，通過計(jì)算得出相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)比較大，均大于5滿足規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求，其穩(wěn)定安全儲(chǔ)備是足夠的。其中工況8的穩(wěn)定系數(shù)都比其他工況的小，該工況為最大懸臂狀態(tài)最不利荷載組合。由失穩(wěn)模態(tài)可以得出，最大懸臂時(shí)主要是墩失穩(wěn)，主梁比較安全。施工時(shí)掛籃的突然墜落產(chǎn)生的沖擊荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響較大，而兩側(cè)懸臂主梁自重的不均勻?qū)Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響比較小。
受包括施工、人為等多種因素的影響，懸臂施工過程中剛構(gòu)橋的橋墩相對(duì)于設(shè)計(jì)理想狀態(tài)而言，往往都處于偏斜或彎曲
