大跨连续刚构桥薄壁高墩施工稳定性研究

大跨连续刚构桥薄壁高墩施工稳定牲研究　沈跃辉　（中铁十六局集团厦门工程分公司，福建厦门３６１０１２）　【摘要】考虑自重，风载，基础刚度和材料性能对大跨连续刚构薄壁高墩施工阶段的稳定性的影响，　提出可行的施工安全措施。　【关键词】　高墩；基础刚度；施工；稳定性　【中图分类号】Ｕ４４３．２２　【文献标识码】Ａ　随着交通建设的发展，连续刚构桥被广泛地应用于公　中利用梁单元来分析墩的稳定性。从理论分析可知，墩越　路、铁路桥梁，并逐步向大跨、轻柔方向发展，由此产生　高，稳定性越差，故本文以李子沟大桥１０７　ｍ的１Ｏ号桥墩作　的结构稳定性问题愈来愈突出。特别是在高桥墩悬臂施工　为研究对象。其墩身为空心和实心矩形截面，主跨墩墩身是　过程中，由于施工或基础变形导致的高墩倾斜，对结构受　横向弧端型，内外收坡，变截面空心墩，壁厚１．１—８．８　ｍ，墩　力及稳定影响很大，有必要进行深入研究。　底截面为２８．９８　ｍ×８．１　ｍ。　１自重及风荷载　本文分别计算了桥墩随高度变化的稳定性，计算高度　日分别为５０　ｍ，６０　ｍ，７０　ｍ，８０　ｍ，９０　ｍ，１００　ｍ，１０７　ｍ，　目前连续刚构桥墩的截面形式通常根据跨径大小采用　墩身侧向失稳变形示意见图１，结果见表１。　双薄壁墩与单薄壁墩，且常为箱形。本文分析时以单薄壁　表ｌ　单薄璧空心墩墩体稳定性　墩为研究对象，墩的下部视为固结，其固结位置视墩与承　墩高日（ｍ）　轴力（ｋＮ）　弯矩（ｋＮ・ｍ）　特征值　失稳模态　台连接位置及基础形式按常规方法确定。　５０　ｌｌ　ＭＯ　３８０３　１５８２．０　纵倾　对等截面单薄壁墩，其架设状态的平面力学体系，侧　６０　ｌ３５Ｏ００　６５０３　９４７．２　纵倾　向失稳的变形（如图１）。墩自身侧向失稳变形承受荷载：　７０　ｌ５ｏ０５０　９９２３　５６８．４　纵倾　自重ｇ，纵向风载　（其值随墩高变化），可近似用能量法　８０　ｌ６５ｌ１０　ｌ４ｏ６３　３５０．２　纵倾　来求侧向失稳的临界荷载，由常规求解稳定的方法得屈曲　９０　ｌ８０１７０　ｌ８９２４　２２４．４　纵倾　ｌｏｏ　ｌ９５２３０　２４５０４　１５０．０　纵倾　临界力：　ｌ０ｒ７　２０５２７０　２８６２５　ｌ１７．２　纵倾　ｇ　＝７．８３７ＥＩ／Ｈ３　或表达为墩底临界轴力：　从表１知，随着墩高度的增大，墩底承受的弯矩和轴力　Ｐｅｒ：　Ｅｌ／（１．１２２Ｈ）　不断增大，墩的稳定性也不断降低。在日：１０７　ｍ时，墩身的　且单个压弯构件的屈曲荷载与中心受压构件的临界荷　稳定特征值为１　１７．２。可见单薄壁空心墩的稳定性安全系数　载相同。　比较大，并考虑到施工的原因，在高墩中该截面形式具有较　大优势。　２基础刚度对稳定性的影响　桥墩的边界条件十分复杂，墩的稳定性分析通常将墩视　作底端固结的竖梁，未考虑基础的弹性变形，仍沿用传统的　线弹性理论体系进行。对于多数情况下采用桩基础的高墩，　在墩身承受较大荷载的情况下，基础产生一定的弹性变形，　对高墩稳定性的影响程度，值得认真分析。　通过非完善弹簧铰悬臂刚压杆模型利用能量法分析得　到Ｐ：　一—　，图２分别给出了计算简图。图３利　图１墩身侧向失稳变形图　Ｉ，￣ｌＩｌｌ７　二　用大变形理论分别给出　＝０，０．１，０．３（ｒａｄ）时Ｐ与０之间　１．１有限元分析　的关系。　以李子沟大桥为例，由于李子沟大桥桥墩为变截面单薄　壁墩，用有限元程序可以更方便得到精确的解。在ＭＩＤＡＳ　［收稿日期］２００６—１２—２７　１１６　四川建筑第２７卷５期２００７．１０　维普资讯 http://www.cqvip.com

ｌ（１－￣０ＳＯｏ）　３材料性能对稳定性的影响　对钢筋混凝土结构，本文主要是利用弹性理论来分析。　对应不同强度等级的混凝土，其弹性模量Ｅ是不同的。由以　上分析可知：在墩截面确定后，Ｅ决定了临界荷载。混凝土强　度越高，墩临界荷载越大，稳定性越高。本文分别就Ｃ２０，Ｃ２５，　Ｃ３０，Ｃ４０，Ｃ５０混凝土等级计算１０号墩在最大悬臂端施工的　稳定特征值，如下表２（Ｅ值取自ＭＩＤＡＳ／ｃｉｖｉｌ中的值）。　表２墩在不同强度等级混凝±的稳定性　Ｊｐ　由表２可知：有限元程序计算值与理论公式较为一致。　图２计算简图　尽管通过弹性计算Ｃ２０、Ｃ２５仍有较高稳定性，但考虑到实际　临界荷载要小于该计算值，以及考虑到桥墩强度要求及材料　＼　经济的原因，混凝土等级取Ｃ３０既能保证强度和稳定的要　求，又比使用高等级的经济。　４结束语　／／　（１）在施工阶段风载不是高墩的控制因素，但它对墩内　力的影响需要考虑，在施工过程中要采取抗风措施。　（２）施工时要严格控制墩身的垂直度及承台的变形，防　止其出现偏斜、弯曲等几何缺陷而使结构的稳定性大大降　低，甚至出现整体失稳的严重后果。　ｌ　Ｉ　Ｉ．　Ｊ　Ｉ　Ｉ　Ｏ　（３）墩身材料无需高强材料，只需普通混凝土材料即可。　图３　稳定性结果（大变形）　参考文献　［１］马保林．高墩大跨连续刚构桥［Ｍ］．北京：人民交通出版杜，　式中：ｒ为抗弯的弹簧常数；Ｏｏ为杆受力之前的初始转　２００１．　角．ｐ为墩线密度；　为杆的转角。由图３可知：当　很小时，　［２］　翁卫军．李子沟特大桥百米高墩施工工艺［Ｊ］．铁道标准设计，　其曲线与杆无初始转角时很靠近，说明此时几何缺陷对杆的　２０００（８）：４—５．　影响较小；当　很大时，很容易看到几何缺陷对杆的影响很　［３］　陈骥．钢结构稳定理论与设计［Ｍ］．北京：科学出版社，２００６．　大。当Ｏｏ＝０时，即无初始转角，Ｐ　＝ｒ／ｌ，ｒ越大即承台刚度　［４］郭梅．高墩大跨连续刚构桥稳定性分析［Ｊ］．西安公路交通大　越大，临界荷载越高。　学学报，１９９９，１９（３）：３２—３５．　（上接第１１５页）　由图可知，主梁各处全截面受压。主梁截　拉应力（个别极小值忽略）和法向拉应力发生；主梁截面最大　面上缘法向压应力在中跨合龙段附近出现较大值，其中最大　法向压应力和最大主压应力出现的位置基本相同，都发生在　值发生在８４号节点处左截面，数值为１１．２０　ＭＰａ；主梁截面下　中跨合龙段附近截面，且在运营阶段主梁截面的法向应力、　缘法向压应力在中跨距薄壁墩中心线６２　ｍ左右处出现较大　主应力均能满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计　值，其中最大值发生在４１号节点处右截面，数值为１１．００　规范》（ＪＴＪ０２３—８５）要求。　ＭＰａ。根据计算结果，绘出在正常使用极限状态荷载组合Ⅲ作　用下主梁截面主应力图如图９所示。由图可知，主梁全段无　参考文献　主拉应力；主梁截面主压应力在中跨合龙段附近出现较大值，　［１］范立础．桥梁工程［Ｍ］．北京：人民交通出版社，１９９０．　其中最大值发生在８４号节点处左截面，数值为１１．２０　ＭＰａ。　［２］马保林．高墩大跨连续刚构桥［Ｍ］．北京：人民交通出版社，　４结束语　２０ｏ１．　［３］　张继尧，王昌将．悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥［Ｍ］．北京：　综上所述，在恒载和正常使用荷载作用下，全桥没有主　人民交通出版社，２００４．　四川建筑第２７卷５期２００７．３０　１１７