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        高墩曲線剛構(gòu)施工及運(yùn)營狀態(tài)下橋墩穩(wěn)定分析

        2011-02-02 06:53:36
        鐵道建筑 2011年3期
        關(guān)鍵詞:高墩懸臂偏心

        馬 耕

        (福州市規(guī)劃設(shè)計研究院,福州 350001)

        高墩曲線剛構(gòu)施工及運(yùn)營狀態(tài)下橋墩穩(wěn)定分析

        馬 耕

        (福州市規(guī)劃設(shè)計研究院,福州 350001)

        分析了高墩曲線剛構(gòu)橋墩在施工及運(yùn)營狀態(tài)下的穩(wěn)定問題。對于施工階段,基于偏心受壓柱承載力計算方法,分析了曲線半徑和墩高對懸臂階段橋墩承載力的影響,并分析了施工階段橋墩二類穩(wěn)定問題(塑性穩(wěn)定)的特點(diǎn)。對于成橋階段,基于某實(shí)橋,利用空間有限元分析了運(yùn)營階段彈性穩(wěn)定與曲線半徑和墩高的關(guān)系。

        曲線剛構(gòu) 高墩 塑性穩(wěn)定 彈性穩(wěn)定

        橋墩穩(wěn)定是山區(qū)高墩曲線剛構(gòu)橋設(shè)計中必須考慮的問題之一。受曲率的影響,曲線連續(xù)剛構(gòu)的橋墩從施工直到運(yùn)營階段,始終處于偏心受壓狀態(tài),且曲線梁彎、扭耦合的特性也增大了橋墩受力分析的難度,使其穩(wěn)定問題更加復(fù)雜。本文針對高墩曲線剛構(gòu)橋在施工階段和成橋階段的穩(wěn)定問題進(jìn)行分析,并著重探討彎曲對施工及成橋階段橋墩穩(wěn)定的影響。

        1 高墩曲線剛構(gòu)橋墩在施工階段的穩(wěn)定性分析

        1.1 施工階段高墩穩(wěn)定問題的特點(diǎn)

        采用懸臂法施工中的橋墩在施工階段基本可以看成墩底嵌固、墩頂自由的立柱,在墩頂作用有一定偏心的垂直力,如不考慮材料強(qiáng)度,將其穩(wěn)定問題按一類穩(wěn)定問題(彈性穩(wěn)定)考慮,將使計算結(jié)果大大失真,過高估計結(jié)構(gòu)安全度。

        目前,我國橋梁設(shè)計規(guī)范中對細(xì)長偏心受壓構(gòu)件的計算公式是按二類穩(wěn)定問題(塑性穩(wěn)定)推導(dǎo)的,墩柱的P—Δ效應(yīng)通過偏心距增大系數(shù)η考慮[1]。對于小偏心受壓構(gòu)件,構(gòu)件發(fā)生二類失穩(wěn)與截面喪失承載能力等效,體現(xiàn)為截面受壓一側(cè)的混凝土及鋼筋達(dá)到材料屈服強(qiáng)度。

        高墩曲線剛構(gòu)的橋墩一般均可看作為小偏心受壓構(gòu)件,其穩(wěn)定可能在縱橋向或橫橋向發(fā)生。縱橋向的失穩(wěn)主要由施工階段懸臂端的不平衡施工荷載造成,而橫橋向失穩(wěn)則主要受曲率影響,使主梁重心偏離橋墩中心線造成。以下根據(jù)目前橋梁設(shè)計規(guī)范中推薦的公式進(jìn)行分析。

        1.2 荷載偏心距及墩高對穩(wěn)定的影響

        根據(jù)文獻(xiàn)[1]中的規(guī)定,混凝土偏心受壓構(gòu)件的強(qiáng)度計算公式為

        由于橋墩是小偏心構(gòu)件,所以其中應(yīng)力較小一側(cè)鋼筋應(yīng)力可能是壓應(yīng)力,也可能是拉應(yīng)力,截面的承載能力除與材料有關(guān)外,主要與混凝土的受壓區(qū)高度及鋼筋應(yīng)力有關(guān),而這兩項(xiàng)均與壓力的偏心距e有關(guān)。

        此外,為考慮高墩的P—Δ效應(yīng),偏心距e應(yīng)根據(jù)墩高乘以偏心距增大系數(shù)η

        對于完全彈性的構(gòu)件,偏心距增大系數(shù)只與墩柱的自由長度、豎向力及截面剛度有關(guān),與外力偏心距無關(guān);但是對于混凝土橋墩,偏心距的增加將使截面受壓區(qū)高度減小,從而減小了截面抗彎剛度,最終使偏心距增大系數(shù)加大,而降低了構(gòu)件的承載能力。這就是規(guī)范公式中引入αe的原因。

        從上述的偏心受壓構(gòu)件計算方法可以看出:影響橋墩承載能力的主要因素是荷載的偏心距和墩高。偏心距越大,相同截面的承載能力就越低。墩柱的高度將對偏心距增大系數(shù)的影響起決定作用,墩高越高,偏心距增大系數(shù)就越大,而使截面的抗力降低。規(guī)范中規(guī)定:在偏心距增大系數(shù)>3時,偏心將使截面抗力的折減過大,必須增大截面尺寸,提高截面剛度,以提高截面抗力效應(yīng)。

        對于懸臂施工的高墩橋梁,控制施工中懸臂端荷載的平衡是關(guān)鍵,而且懸臂越大、墩高越高對荷載偏心越敏感。以圖1所示橋墩截面為例,墩身兩側(cè)分別配置55根φ32二級鋼筋,墩頂作用10×104kN豎向力。

        圖1 墩身橫截面(單位:cm)

        圖2顯示了此截面在墩高50 m和90 m時,構(gòu)件承載力隨豎向力偏心距的變化曲線,圖3顯示了豎向力偏心距為1 m和2 m時,構(gòu)件承載力隨墩高的變化。從圖2、圖3可以看出:隨著偏心距的增大,承載能力明顯減小,而且墩高越高承載力對偏心距的敏感程度越高;隨著墩高的增加,截面的承載能力越來越低,在偏心距較小時,墩高的影響并不很明顯,但是偏心距比較大時,墩高對承載能力降低的敏感程度明顯增加。

        圖2 承載力隨墩頂力偏心距的變化

        圖3 承載力隨墩高的變化

        1.3 高墩曲線橋懸臂施工中的穩(wěn)定問題

        曲線梁橋受曲率影響,懸臂施工階段主梁自重重心偏離墩頂縱向軸線,向彎橋的曲線內(nèi)側(cè)偏移。這使墩身在橫橋向成為偏心受壓構(gòu)件,且隨懸臂長度的增加,偏心距不斷增大。對于如圖4所示的施工中的曲線懸臂T構(gòu),最大懸臂階段時主梁自重為G,圓心角為φ,弧長為L,半徑為r,根據(jù)幾何關(guān)系,曲梁重心偏心距e可表示為

        圖4 曲梁重心線

        通常情況下高速公路正線的最小半徑不小于600 m,圖5顯示了半徑為600 m時主梁重心偏心距與跨長L的關(guān)系。從圖5可以看出:在600 m半徑的極端情況下,主梁重心橫橋向偏心距隨跨長的增加不斷增大,且跨度越大,偏心距增加得越快,但是在120 m跨徑以下時仍然基本呈線性關(guān)系,且偏心距不大于1 m;超過180 m時偏心距明顯增大,超過2m,且以后明顯呈非線性增長。

        圖5 半徑600 m時主梁重心偏心距與跨長的關(guān)系

        圖6 跨徑150 m時主梁重心偏心距與半徑的關(guān)系

        圖6顯示了跨徑150 m時主梁重心偏心距與半徑的關(guān)系。從圖6可以看出,隨著半徑的增大,偏心距明顯減小,至1 000 m時已經(jīng)減小到1 m以下,這對于橋墩的橫向承載力影響已經(jīng)很小了。

        2 高墩曲線剛構(gòu)橋墩在運(yùn)營階段的穩(wěn)定性分析

        2.1 分析模型和方法簡介

        高墩曲線連續(xù)剛構(gòu)在成橋階段已經(jīng)形成一個空間框架結(jié)構(gòu),穩(wěn)定問題表現(xiàn)為一個整體結(jié)構(gòu)的空間穩(wěn)定問題,而整體結(jié)構(gòu)的二類穩(wěn)定分析(考慮塑性階段的承載能力計算)目前的計算機(jī)及軟件尚不具備條件。因此本研究結(jié)合某高墩彎坡剛構(gòu)進(jìn)行一類穩(wěn)定分析,并通過對墩高和半徑的參數(shù)分析考察其對橋墩穩(wěn)定的影響。

        基本模型為某山區(qū)高速公路上的一座特大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁連續(xù)剛構(gòu)橋,7孔一聯(lián),跨徑布置:(65+115+155+3×115+65)m。前5孔為連續(xù)剛構(gòu),后2孔為連續(xù)梁,全橋長 749 m。本橋位于半徑為762.115 m的平曲線上,4%升坡,超高橫坡在 2% ~-3%范圍內(nèi)變化,橋?qū)捰?3.75 m變至13.25 m,平均墩高50 m以上,最高橋墩86 m。

        利用ANSYS建立的空間梁單元模型如圖7所示。模型采用BEAM188單元建立,第1號~6號墩底部均為全約束,1號~4號墩與梁體固結(jié),5號,6號墩與梁體為鉸接,且可以切向滑動,第0號、7號墩支座均為豎向約束,同時限制徑向位移。模型上作用一期及二期恒載,對于總體結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力配置基本為主梁的縱向受壓,因此可以根據(jù)預(yù)應(yīng)力配索量,以降溫的方法模擬預(yù)應(yīng)力的施加。

        2.2 曲率對橋墩穩(wěn)定的影響

        圖7 理想模型

        圖8 前五階失穩(wěn)模態(tài)

        基于實(shí)橋模型,建立理想分析模型(圖7),分別以300 m,400 m,500 m,600 m,800 m,1 200 m,1 600 m,2 400 m,4 800 m為曲線半徑進(jìn)行分析,考察彎曲對高墩穩(wěn)定的影響,統(tǒng)一橋墩墩高為80 m,邊界條件和預(yù)應(yīng)力模擬按原形橋模擬。

        在上述半徑參數(shù)下,計算了前五階失穩(wěn)模態(tài)。計算表明,各種半徑下失穩(wěn)模態(tài)基本相同,前五階失穩(wěn)模態(tài)見圖8,可見:一階、二階均為橋墩自身側(cè)傾,主要是墩頂在切向完全自由所致,實(shí)際橋梁中一般均有支座摩阻力,因此出現(xiàn)的可能性很小;三、四、五階均為全橋側(cè)向傾覆失穩(wěn),說明側(cè)傾是高墩橋梁成橋階段穩(wěn)定的主要問題。對于曲線箱梁,最低階側(cè)傾失穩(wěn)形態(tài)為向曲線外側(cè)的側(cè)傾,更高階為二波、三波的側(cè)傾失穩(wěn)。

        圖9 曲線半徑與失穩(wěn)特征值關(guān)系

        圖10 墩高與失穩(wěn)特征值關(guān)系

        圖9顯示了各階失穩(wěn)形態(tài)特征值隨曲率半徑的變化曲線。可以看出:第一、二階失穩(wěn)模態(tài)是橋墩自身曲屈,與橋梁半徑無關(guān);第三、四階失穩(wěn)為側(cè)傾失穩(wěn),由于主梁彎曲后的空間效應(yīng),特征值均隨半徑的減小而增大,說明彎曲使橋梁總體穩(wěn)定性能提高,但是,在半徑大于1 000 m時,彎曲對穩(wěn)定的提高作用很小,完全可以按直橋計算;第五階失穩(wěn)是側(cè)傾與預(yù)應(yīng)力綜合作用的結(jié)果,主梁的彎曲使失穩(wěn)模態(tài)的特征值減小,同樣當(dāng)半徑大于1 000 m時,曲率的影響很小,完全可以按直橋計算。

        從最易發(fā)生的第三階失穩(wěn)特征值變化情況看,曲率的增加對穩(wěn)定是有益的。

        2.3 墩高對穩(wěn)定的影響

        針對上述理想模型,在半徑采用600 m時,分別以墩高 30 m,40 m,60 m,80 m,100 m,120 m,140 m,160 m,180 m,200 m進(jìn)行穩(wěn)定分析,邊界條件同前。圖10顯示了墩高與失穩(wěn)特征值的關(guān)系。

        可見:墩高從30 m變化到150 m時,各階失穩(wěn)模態(tài)的特征值,均隨著墩高的增加而明顯減小,說明墩高越高失穩(wěn)的可能性越大。一、二階均為墩身自身的曲屈,所以很接近;而三、四、五階為墩身失穩(wěn),特征值的區(qū)別很明顯。當(dāng)墩高超過150 m后,各階特征值趨于統(tǒng)一,說明上部結(jié)構(gòu)連接所起的總體作用減小,失穩(wěn)主要為墩身自身的曲屈,而不論橋墩與主梁如何連接。

        3 結(jié)論

        對高墩彎曲剛構(gòu)橋橋墩的穩(wěn)定問題應(yīng)引起重視。在懸臂施工階段,橋墩的穩(wěn)定可以通過將其看作墩頂承受偏心壓力的墩柱,檢算截面承載能力。分析表明,隨偏心距的增大,橋墩承載能力明顯減小,而且墩高越高,承載力對偏心距的敏感程度越高,截面承載能力降低越顯著。梁的曲線半徑一定時,主梁重心橫橋向偏心距隨跨徑的增加不斷增大,且跨度越大,偏心距增加得越快。

        成橋階段,梁的彎曲在一定程度上有利于提高全橋總體穩(wěn)定性能,但是,橋梁軸心面內(nèi)的穩(wěn)定特征值將隨曲線半徑的減小而減小。在半徑大于1 000 m時,彎曲對穩(wěn)定的影響很小,完全可以按直橋計算。墩高對橋墩的失穩(wěn)特征值有顯著影響,且隨著墩高的增加橋墩穩(wěn)定性能明顯降低,但當(dāng)墩高超過150 m后,各階的失穩(wěn)特征值趨于統(tǒng)一,失穩(wěn)荷載由墩身自身剛度決定。

        [1]中華人民共和國交通部.JTJ023—85 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,1989.

        [2]姚玲森.曲線梁[M].北京:人民交通出版社,1989.

        [3]朱磊,崔飛,高巖.深圳市某曲線梁橋加固效果評定[J].鐵道建筑,2009(3):33-35.

        U441

        A

        1003-1995(2011)03-0006-04

        2010-09-08;

        2010-11-20

        馬耕(1963— ),男,福州市人,高級工程師。

        (責(zé)任審編 孟慶伶)

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