高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工過(guò)程穩(wěn)定性分析

路兆印

（中鐵二十三局集團(tuán)第一工程有限公司 山東日照 276800）

1 引言

當(dāng)前我國(guó)高速公路建設(shè)領(lǐng)域逐漸向山嶺重丘地區(qū)延伸，高墩橋梁是當(dāng)下高等級(jí)公路跨越深溝峽谷等特殊地形條件下必然采用的跨越方式。由于橋墩長(zhǎng)細(xì)比、橋梁跨度增大以及施工誤差等不利因素影響，橋梁結(jié)構(gòu)在施工階段的穩(wěn)定性問(wèn)題日益突出。高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工難度大、影響因素多、施工周期長(zhǎng)、施工地質(zhì)及環(huán)境條件復(fù)雜，勢(shì)必要對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析，最大限度地減少施工安全隱患、保障工程建設(shè)整體質(zhì)量。本文從橋梁的線彈性狀態(tài)、幾何非線性狀態(tài)的初始幾何缺陷出發(fā)，對(duì)施工體系穩(wěn)定性展開研究，為橋梁安全施工提供有利參考[1－2]。

2 工程背景

對(duì)高墩橋梁穩(wěn)定性進(jìn)行分析時(shí)，能最直觀表達(dá)高墩穩(wěn)定性的評(píng)判指標(biāo)為結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)λ。若求得的穩(wěn)定安全系數(shù)值越大，表示結(jié)構(gòu)的安全性越高、安全儲(chǔ)備越充足。本文以后亭溪大橋?yàn)楣こ瘫尘斑M(jìn)行討論，通過(guò)求得結(jié)構(gòu)所能承受的極限荷載值與當(dāng)前階段施加在結(jié)構(gòu)上的荷載值的比值，得出結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)。由于橋梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，計(jì)算機(jī)有限元近似求解方法可以看作是Ritz法的特殊形式，設(shè)計(jì)時(shí)通常偏安全地認(rèn)為采用空間有限元軟件計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)屈曲安全系數(shù)λ≥5時(shí)結(jié)構(gòu)安全，穩(wěn)定性滿足要求。根據(jù)公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范，查得結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)取值為 λ≥4[3－5]。

3 穩(wěn)定分析有限元模型構(gòu)建

后亭溪大橋橋墩最大高度為119 m，在最大懸臂施工階段兩側(cè)總長(zhǎng)為148 m。本文進(jìn)行橋墩穩(wěn)定性分析，從最不利荷載角度出發(fā)，結(jié)合工程實(shí)例，參考實(shí)際施工過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的各種荷載情況，得到多種荷載工況組合，并依據(jù)前人研究經(jīng)驗(yàn)，選取最大懸臂階段進(jìn)行穩(wěn)定性分析。施工過(guò)程中荷載選取為：自重、預(yù)應(yīng)力荷載、掛籃荷載、風(fēng)荷載、溫度梯度荷載。

本橋的有限元模擬參數(shù)為：墩柱采用C40砼，Ec＝3.25 ×104MPa（彈性模量），γ ＝24.0 kN／m3（重力密度），泊松比取0.2。主梁采用C50砼，Ec＝3.45×104MPa（彈性模量），γ ＝25.0 kN／m3（重力密度），泊松比取0.2。預(yù)應(yīng)力鋼絞線參數(shù)為：抗拉強(qiáng)度等級(jí)取值為1 860 MPa，直徑d＝15.2 mm，彈性模量 EP＝1.95×105MPa，松弛率 ρ＝0.035，松弛系數(shù) ζ＝0.3。

在Midas Civil中采用梁?jiǎn)卧⒂邢拊Ｐ停鶕?jù)設(shè)計(jì)圖紙，建立對(duì)應(yīng)的箱梁截面，進(jìn)行單元、節(jié)點(diǎn)劃分。墩身共劃分為124個(gè)單元，與主梁采用剛性連接以模擬橋梁的剛構(gòu)體系。建立施工過(guò)程中主梁最大懸臂狀態(tài)下的穩(wěn)定分析模型，如圖1所示。

圖1 橋墩最大懸臂狀態(tài)有限元模型

4 高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工懸臂體系穩(wěn)定分析

4．1 理想狀態(tài)下剛構(gòu)橋施工懸臂體系的線性穩(wěn)定分析

工程中，明確高墩本身的承載力是確保高墩線彈性穩(wěn)定的重要手段。施工承載是影響高墩線彈性穩(wěn)定的最重要因素，加強(qiáng)施工環(huán)節(jié)的承載控制是保證施工承載不影響高墩正常使用的主要手段。選取結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性處于最不利狀態(tài)的施工階段，即橋梁最大懸臂階段進(jìn)行穩(wěn)定性分析。根據(jù)在工程實(shí)踐中可能出現(xiàn)的各種荷載，開展對(duì)剛構(gòu)橋最大懸臂階段穩(wěn)定性研究，荷載工況組合如表1所示。根據(jù)以上荷載組合，利用有限元軟件計(jì)算得出其穩(wěn)定安全系數(shù)，見表2。

表1 荷載工況組合

表2 各個(gè)工況下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)

由圖2可知，在7種荷載組合工況下，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于4，滿足規(guī)范要求，且具有足夠的安全儲(chǔ)備[6－9]。

圖2 穩(wěn)定系數(shù)變化曲線

4．2 理想狀態(tài)下結(jié)構(gòu)考慮幾何非線性影響的穩(wěn)定性分析

后亭溪大橋施工至最大懸臂階段時(shí)，橋梁的柔性最大，穩(wěn)定性最低，易在外部荷載的作用下發(fā)生變形。采用有限元軟件Midas Civil對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)在幾何非線性影響下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得到荷載－位移曲線圖，見圖3。當(dāng)圖中出現(xiàn)極值點(diǎn)或其曲線接近一條水平漸進(jìn)線時(shí)，對(duì)應(yīng)的荷載加載系數(shù)值即為穩(wěn)定安全系數(shù)。考慮幾何非線性影響，選取在最不利荷載狀態(tài)下墩身不同節(jié)點(diǎn)發(fā)生的最大位移及方向，對(duì)模型的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

圖3 理想狀態(tài)下考慮幾何非線性影響荷載－位移曲線

由圖3可以看出，考慮幾何非線性影響，計(jì)算得出的荷載系數(shù)為16.51，與線彈性穩(wěn)定系數(shù)17.64相比，降低1.13，即考慮幾何非線性因素影響，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)下降了6.41%。

5 高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋穩(wěn)定性影響因素參數(shù)分析

5．1 初始幾何缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)線彈性情況下穩(wěn)定性的影響

由于考慮結(jié)構(gòu)的初始缺陷對(duì)準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)具有重要意義，因此我們?cè)谘芯拷Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題時(shí)應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中積累的初始缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，以獲得更加精確的分析結(jié)果。本文采用結(jié)構(gòu)屈曲模態(tài)分析法對(duì)初始缺陷狀態(tài)下的模型進(jìn)行分析，通過(guò)設(shè)置缺陷分布區(qū)域和峰值來(lái)模擬初始缺陷。橋墩初始幾何缺陷分為三類：第一類為初始縱向彎曲缺陷；第二類為初始橫向偏斜缺陷；第三類為同時(shí)考慮初始縱向缺陷與初始橫向缺陷。通過(guò)計(jì)算確定初始缺陷大小與其分布模式，根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整模型的單元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，再對(duì)調(diào)整后的模型進(jìn)行有限元分析，即可對(duì)結(jié)構(gòu)按設(shè)計(jì)的初始缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。

墩頂偏離的最大缺陷值參照《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，并依此進(jìn)行偏安全性考慮，分別選取墩頂偏離為3 cm、10 cm及20 cm。在模型中將各橋墩初始缺陷值加入結(jié)構(gòu)中進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)果見表3及圖4（屈曲系數(shù)值取一階）。

表3 考慮初始幾何缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響

圖4 考慮初始幾何缺陷的一階穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線

由表3和圖4可以看出，與無(wú)缺陷理想狀態(tài)的結(jié)構(gòu)相比，考慮了初始幾何缺陷后，隨著初始缺陷值的增大，結(jié)構(gòu)的一階穩(wěn)定系數(shù)在逐漸降低。從數(shù)值上看，三類幾何缺陷的穩(wěn)定系數(shù)值遞減幅度均較小，雖然初始幾何缺陷對(duì)線彈性穩(wěn)定而言影響不是很大，但在實(shí)際工程施工過(guò)程中仍要加強(qiáng)對(duì)施工、測(cè)量精度的要求，以保證墩身結(jié)構(gòu)的垂直度，減少幾何缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

5．2 考慮幾何非線性影響下初始幾何缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響

由表4、表5和圖5可知，在考慮了縱向初始幾何缺陷后，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性安全系數(shù)相比于理想狀態(tài)出現(xiàn)明顯下降，最大降幅達(dá)到3.67%。在考慮了橫向初始幾何缺陷后，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性安全系數(shù)也出現(xiàn)明顯下降，最低降至11.904，降幅高達(dá)到27.90%。由此得出結(jié)論：在幾何非線性影響下，隨著初始幾何缺陷值增大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性安全系數(shù)下降明顯。

表4 考慮縱向初始幾何缺陷下的非線性穩(wěn)定性對(duì)比

表5 考慮橫向初始幾何缺陷下的非線性穩(wěn)定性對(duì)比

圖5 初始偏斜缺陷與穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系曲線

由此可見，要判斷結(jié)構(gòu)的安全性，在線彈性條件下進(jìn)行穩(wěn)定性分析后，還應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)在幾何非線性影響下的穩(wěn)定性分析，這對(duì)正確分析結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要作用。在實(shí)際工程施工中，應(yīng)保證橋墩的垂直度符合要求，對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)的測(cè)量工作應(yīng)制定嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)模板、支架等施工設(shè)備進(jìn)行定期檢查，以保證其能正常工作?；炷翝仓r(shí)，應(yīng)安排專業(yè)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)督，尤其應(yīng)注意檢查混凝土模板和支架等構(gòu)件的安裝使用情況，一旦模板發(fā)生松動(dòng)、錯(cuò)位等情況，現(xiàn)場(chǎng)管理人員應(yīng)及時(shí)處理，以保證施工正常進(jìn)行[10－12]。

6 總結(jié)

本文對(duì)后亭溪大橋施工至最大懸臂階段的模型進(jìn)行穩(wěn)定性研究。在建模過(guò)程中，考慮理想狀態(tài)和初始幾何缺陷兩種狀態(tài)，分別對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

（1）通過(guò)分析最大懸臂階段結(jié)構(gòu)在理想狀態(tài)下的線性穩(wěn)定性表明：箱梁溫度梯度荷載對(duì)高墩穩(wěn)定性影響一般，可忽略箱梁溫度梯度荷載對(duì)高墩橋梁第一類線彈性穩(wěn)定性的不利影響。而施工中產(chǎn)生的不平衡荷載會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，因此在施工過(guò)程中要嚴(yán)格控制施工設(shè)備和材料堆放滿足要求，并減少由于施工誤差產(chǎn)生的梁體重量不均衡現(xiàn)象。

（2）由幾何非線性影響的穩(wěn)定性分析結(jié)果可知：其相應(yīng)的荷載系數(shù)為16.51，與線彈性穩(wěn)定系數(shù)相比下降較多，降低值為1.13。

（3）初始幾何缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)第一類線彈性穩(wěn)定性影響極小，在初始縱向缺陷和初始橫向缺陷的影響下，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性系數(shù)僅降低0.04。

（4）初始缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)幾何非線性穩(wěn)定影響較為明顯，最大降幅達(dá)27.90%。因此，在橋梁施工過(guò)程中要嚴(yán)格控制墩的垂直度，保證施工精度。