黃己偉

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程管理系，四川 德陽(yáng)618000）

近年來(lái)，隨著我國(guó)改革開(kāi)放和西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的深入實(shí)施，在西部地區(qū)新建許多的超高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋梁。這些橋梁在施工過(guò)程中的穩(wěn)定性受材料非線性、幾何非線性、初始缺陷等因素影響。不少學(xué)者在這方面展開(kāi)了大量的研究，例如，李松研究預(yù)應(yīng)力混凝土組合式T形剛構(gòu)橋在懸臂施工階段的非線性穩(wěn)定性問(wèn)題。王宗林等以紅嶺高架橋?yàn)楣こ虒?shí)例，探討垂直度對(duì)薄壁高墩連續(xù)剛構(gòu)橋穩(wěn)定性的影響。但對(duì)于日照溫差影響下超高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋穩(wěn)定性的研究并不多見(jiàn)。

以天橋特大橋工程為背景，利用BEAM188單元采用溫度梯度荷載的方式模擬日照溫差作用，并在最大懸臂施工階段和成橋階段分析穩(wěn)定性。

1 工程概況

天橋特大橋位于赫章縣野媽姑鎮(zhèn)天橋村南約2km，兩岸橋臺(tái)位于斜坡上，畢節(jié)岸地形相對(duì)較陡。橋區(qū)附近海拔2 064～1 810.10m，相對(duì)高差253.90m，橋軸線通過(guò)的地面高程為2 012.20～1 810.00m，相對(duì)高差202.20m。橋區(qū)地貌類型屬溶蝕、低侵蝕山溝谷地貌。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306－2001），赫章至威寧段地震動(dòng)峰值加速度值為0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40s，場(chǎng)區(qū)地震基本烈度Ⅵ度。地下無(wú)明顯斷層通過(guò)，基巖較厚，場(chǎng)地總體相對(duì)穩(wěn)定。

天橋特大橋?yàn)榉址鶚?，左幅上部結(jié)構(gòu):20m預(yù)應(yīng)力空心板＋（7×40m）預(yù)應(yīng)力混凝土T梁＋（106m＋200m＋106m）預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁連續(xù)剛構(gòu)＋（4×40m）預(yù)應(yīng)力混凝土T梁三部分組成。下部結(jié)構(gòu):主橋橋墩采用薄壁空心墩，嵌巖群樁基礎(chǔ)；引橋橋墩采用矩形薄壁空心或圓形實(shí)心墩，樁基礎(chǔ)；橋臺(tái)為柱樁式橋臺(tái)或重力式U型臺(tái)，樁基礎(chǔ)或擴(kuò)大基礎(chǔ)。

右幅上部結(jié)構(gòu):（8×40m）預(yù)應(yīng)力混凝土T梁＋（106m＋200m＋106m）預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁連續(xù)剛構(gòu)＋（4×40m）預(yù)應(yīng)力混凝土T梁三部分組成。下部結(jié)構(gòu):主橋橋墩采用薄壁空心墩，嵌巖群樁基礎(chǔ)；引橋橋墩采用矩形薄壁空心或圓形實(shí)心墩，樁基礎(chǔ)；橋臺(tái)為柱樁式橋臺(tái)或重力式U型臺(tái)，樁基礎(chǔ)或擴(kuò)大基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)荷載:公路－I級(jí)。圖1為主橋（右幅）立面。

圖1 主橋立面圖（右幅）

9#、10#主墩上部采用雙薄壁墩，下部采用變截面箱形空心墩，薄壁墩寬8.5m、厚3.5m，橫橋向壁厚1.2m，縱橋向壁厚0.8m，墩頂設(shè)高4.0m的實(shí)心段。9#變截面箱型空心墩墩高105m，雙薄壁墩墩高50m，10#變截面箱型空心墩墩高52m，雙薄壁墩墩高50m。外側(cè)放坡，坡率為40∶1，墩身采用C50混凝土。

2 有限元模型的建立

2.1 選擇有限元程序

ANSYS作為一款大型通用有限元分析軟件，因其精確性、便捷性、靈活性以及可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)等分析方面得到廣泛應(yīng)用。軟件能進(jìn)行各種計(jì)算分析，包括結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、熱分析等。另外，利用APDL語(yǔ)言可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)快速建模的目的。綜合考慮，本文選用ANSYS軟件進(jìn)行有限元計(jì)算。

2.2 建立有限元模型

用ANSYS分析變截面連續(xù)剛構(gòu)橋，箱型斷面模擬有兩種，一種用Shell63單元，視箱梁由板殼組成，另一種用Beam單元，視其為梁?jiǎn)卧?/p>

由于天橋特大橋主梁為變截面箱梁斷面，為真實(shí)模擬主梁?jiǎn)卧?，采用了具有變截面功能的BEAM188單元，同時(shí)該單元還可用于材料非線性分析。

天橋特大橋?yàn)殡p幅單向坡橋，ANSYS模擬箱型斷面時(shí)，改為平坡斷面，箱梁高度取為中心高度（按設(shè)計(jì)圖紙換算）。圖2和圖3所示為跨中和根部斷面模型，圖4所示為全橋模型。

圖2 跨中斷面

圖3 根部斷面

圖4 全橋有限元模型

2.3 邊界條件

本文未進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，故模型中未記入樁基和承臺(tái)。為簡(jiǎn)化處理，直接將墩底固結(jié)，兩邊跨支承處采用剛性豎桿連接。這種方法帶來(lái)一定的計(jì)算誤差，總體尚在可接受的范圍內(nèi)。

2.4 材料特性

天橋特大橋主梁采用C55混凝土，橋墩采用C50混凝土，相應(yīng)的材料特性如表1所示。

表1 天橋特大橋材料性質(zhì)表

3照溫差作用下穩(wěn)定性分析

3.1 溫度場(chǎng)與溫度梯度

結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力計(jì)算，在已知溫度場(chǎng)或溫度梯度下的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為分析，獲取結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)或溫度梯度需要進(jìn)行熱分析，也可進(jìn)行熱－結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)分析，直接獲取結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。

本文假定大橋的溫度梯度已知，直接開(kāi)展溫度效應(yīng)分析。

3.2 施加溫度梯度

對(duì)BEAM188單元，允許溫度沿截面高度或?qū)挾茸兓瑢?duì)每個(gè)端節(jié)點(diǎn)輸入3個(gè)位置的溫度，T（0，0）為單元X軸的溫度；T（0，0）缺省溫度為T(mén)UNIF，如其他位置溫度為輸入第一個(gè)溫度值；T（1，0）為單元Y軸方向離開(kāi)X軸單位長(zhǎng)度位置的溫度；T（0，1）為單元Z軸方向離開(kāi)X軸單位長(zhǎng)度位置的溫度。一般地，截面的高度或?qū)挾炔⒉坏扔趩卧L(zhǎng)度。因此，需要將溫度換算到單位長(zhǎng)度位置的溫度，然后依此數(shù)值施加。TREF為參考溫度。如果截面上的溫度分布表示為

式中:ΔTy，ΔTz分別為Y軸和Z軸方向單位長(zhǎng)度的梯度值。單元局部坐標(biāo)系見(jiàn)圖5所示。

圖5 單元局部坐標(biāo)系

則X，Y，Z軸上相應(yīng)單元的左、右節(jié)點(diǎn)溫度輸入為

式中:W為梁寬，ΔTy為寬度方向溫度差，H為梁高，ΔTz為高度方向溫度差。

對(duì)ANSYS中的BEAM188單元，使用BFE命令施加溫度梯度。具體APDL命令流如下:

天橋特大橋9#、10#橋墩上部為8.5m×3.5m的矩形截面，下部則為變寬度截面。根據(jù)文獻(xiàn)［6］計(jì)算時(shí)橋墩取10℃的橫向相對(duì)溫差，溫度梯度模式采用《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60 2004）中的有關(guān)規(guī)定。

4 不同施工階段穩(wěn)定性分析

橋梁的最大懸臂施工階段是整個(gè)橋梁施工過(guò)程中較為危險(xiǎn)的階段之一。利用大型有限元程序ANSYS分析了102m、155m高墩最大懸臂施工階段和成橋階段，并計(jì)算橫橋向和順橋向的穩(wěn)定系數(shù)。有限元分析計(jì)算結(jié)果，如表2所示。

表2 穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算表

4.1 102m高墩最大懸臂階段（橫橋向）

從圖6中可以看出，該階段橋梁為橫向失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為4.93。

4.2 155m高墩最大懸臂階段（橫橋向）

從圖7中可以看出，該階段橋梁為橫向失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為3.52。

4.3 成橋階段（橫橋向）

從圖8中可以看出，該階段橋梁為扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為3.83。

圖6 105m高墩最大懸臂施工階段有限元分析

圖7 155m高墩最大懸臂施工階段有限元分析

圖8 成橋階段有限元分析

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了在最大懸臂施工階段和成橋階段對(duì)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的穩(wěn)定性的影響。從數(shù)值分析結(jié)果可知，102m最大懸臂施工階段的穩(wěn)定性最高，成橋階段次之；155m最大懸臂施工階段的穩(wěn)定性最低，但均在規(guī)范許可的范圍內(nèi)。

影響橋梁穩(wěn)定性的因素眾多，本文僅對(duì)日照溫差作用進(jìn)行了初步研究。因此，在下一步的研究工作中，應(yīng)注重考慮各種影響因素的耦合作用對(duì)橋梁穩(wěn)定性的影響。

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