張 璇，譚小生

(江西省交通工程集團公司)

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薄壁高墩連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂澆筑施工過程穩(wěn)定性分析

張 璇，譚小生

(江西省交通工程集團公司)

以L大橋為工程背景，對連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂澆筑的特點進行探討，分析了薄壁高墩連續(xù)剛構(gòu)橋懸澆過程線彈性屈曲穩(wěn)定性，得出提高最大懸臂階段穩(wěn)定性的方法可以從增加墩柱壁厚、改變橋墩的截面形式的有效結(jié)論。

薄壁高墩；穩(wěn)定性；懸臂澆筑

1 工程背景

L大橋主橋為大跨、高墩、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，其中主墩10號、11號都由雙薄壁墩組成，10號墩薄壁為矩形空心截面，墩柱高91m，墩頂、底各設(shè)一段矩形實心截面；橫橋向?qū)挾葹?.0m，順橋向?qū)挾葹?.8m，兩片薄壁墩間凈距為4.4m，在墩柱之間設(shè)有兩道橫向系梁。11號墩薄壁為矩形實心截面，墩柱高 40m，橫橋向7.0m，順橋向2.0m，兩片薄壁墩凈間距為 6.0m。主墩上端均與箱梁0號塊梁段固結(jié)，下端與承臺固接。橋墩承臺均采用17.6 11.1m矩形承臺，厚度為5.0m，設(shè)有C25片石混凝土墊層。基礎(chǔ)各采用6根直徑為2.4m的樁基，均按嵌巖樁設(shè)計，各樁分別嵌入單軸極限抗壓強度不小于34MPa的弱風(fēng)化變余砂巖，深度不小于8m。

2 連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂澆筑的特點

(1)在懸臂澆筑施工過程中，需要保證其具有安全性、穩(wěn)定性。在節(jié)段施工中，由于易出現(xiàn)偏載或者因風(fēng)力而產(chǎn)生不平衡彎矩的情況，為承受這種不平衡彎矩，在施工中，往往除了墩、梁臨時固結(jié)外，還會在橋墩或者墩旁會架設(shè)臨時支撐，這樣來保證施工中雙懸臂體系的穩(wěn)定性。

(2)在懸臂澆筑施工過程中，需要保證混凝土的澆筑質(zhì)量。由于懸臂澆筑施工中，高空作業(yè)的工作量比較大，但是其工作面較小，混凝土養(yǎng)生、脫模對施工的周期產(chǎn)生了一定的限制，節(jié)段循環(huán)作業(yè)中遺留有內(nèi)部接縫等因素，因此要從設(shè)計和施工全面考慮保證每節(jié)段混凝土的施工現(xiàn)澆質(zhì)量。

(3)在懸臂澆筑施工過程中，需對梁體的幾何位置進行嚴格控制。相對于懸臂拼裝法，懸臂澆筑施工法更易控制變形，這是由于逐段澆筑施工能夠逐節(jié)段對掛焦標高進行調(diào)整，但是逐步澆筑混凝土的齡期具有差異，在合攏時要進行進行體系轉(zhuǎn)化，因此，由于混凝土的收縮與徐變所產(chǎn)生的變形和次內(nèi)力比較復(fù)雜，對其必須認真設(shè)計與施工。

3 薄壁高墩連續(xù)剛構(gòu)橋懸澆過程線彈性屈曲穩(wěn)定分析

薄壁高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的穩(wěn)定性主要為三個穩(wěn)定，即主梁懸臂澆筑過程中的穩(wěn)定性、高墩自體穩(wěn)定性和成橋后全橋的穩(wěn)定性。在薄壁高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂澆筑施工過程中，穩(wěn)定性最差的為最大懸臂狀態(tài)，非常容易發(fā)生側(cè)向的屈曲失穩(wěn)，這也成為了高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋穩(wěn)定性控制狀態(tài)。因而對最大懸臂狀態(tài)穩(wěn)定性進行研究很具有代表性。根據(jù)L大橋模型，首先在相同壁厚的條件下分析其在不同荷載工況組合時的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；其次分別采用10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm壁厚的橋墩模型，分析其在相同荷載工況條件下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；最后采用相同壁厚與相同的荷載工況分析自重對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響。

荷載組合工況如下。

工況一：自重荷載+預(yù)應(yīng)力荷載+施工不平衡堆載

工況二：自重荷載+預(yù)應(yīng)力荷載+施工不平衡堆載+單邊掛藍

工況三：自重荷載+預(yù)應(yīng)力荷載+施工不平衡堆載+單邊掛藍+橫向風(fēng)荷載

工況四：自重荷載+預(yù)應(yīng)力荷載+施工不平衡堆載+單邊掛藍+橫向風(fēng)荷載+縱向風(fēng)荷載

工況五：自重荷載+預(yù)應(yīng)力荷載+施工不平衡堆載+單邊掛藍+橫向風(fēng)荷載+縱向風(fēng)荷載+整體升溫 20 ℃

工況六：自重荷載+預(yù)應(yīng)力荷載+施工不平衡堆載+單邊掛藍+橫向風(fēng)荷載+縱向風(fēng)荷載+整體降溫 20 ℃

3.1 不同荷載工況下的穩(wěn)定性影響

表1 不同荷載組合工況下的穩(wěn)定特征值

分析得出。

(1)在以上六種荷載工況作用下，施工最大懸臂狀態(tài)過程中橋梁最容易出現(xiàn)高墩的橫橋向的側(cè)向傾覆失穩(wěn)(在本橋整體坐標系下表現(xiàn)為沿y方向的傾倒)，其臨界屈曲荷載值約為上述最大荷載工況組合值的18.5倍。而第二種穩(wěn)定性的破壞模式則表現(xiàn)為高墩沿整體坐標系x方向的傾覆，即為順橋向的傾倒，其穩(wěn)定傾覆荷載臨界數(shù)值約為上述最大荷載工況組合值的 33.6 倍。從數(shù)值上看橋梁在最大懸臂施工階段縱橋向的穩(wěn)定性約為橫橋向穩(wěn)定性的1.8倍；矮墩的穩(wěn)定性約為高墩穩(wěn)定性的2.6倍；高墩發(fā)生墩柱屈曲破壞的情況僅為高墩出現(xiàn)側(cè)向傾覆破壞概率的 26.5%。

(2)工況一的最小穩(wěn)定性系數(shù)為 19.185 59，工況二的穩(wěn)定性系數(shù)為 18.465 61，由工況一到工況二考慮了一邊掛藍突然掉落的情況，取單邊掛藍瞬時的荷載沖擊系數(shù)為 2.0 的情況下，單邊掛藍的掉落對最大懸臂狀態(tài)穩(wěn)定性的影響對于較高一側(cè)橋墩僅占穩(wěn)定安全系數(shù)的3.9%，對于矮墩一側(cè)僅占穩(wěn)定安全系數(shù)的3.6%，從影響百分率上看相差不大，但是矮墩的穩(wěn)定安全系數(shù)約是高墩穩(wěn)定系數(shù)的3.8倍，所以可以看出同樣的沖擊荷載對剛度較大的矮墩穩(wěn)定性的破壞效率要大于高墩，這是由于柔度較大的高墩在承受沖擊荷載作用時有較大的變形空間來消耗沖擊能的原因。由上述圖表可以看出從工況二到工況六，施工不平衡荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載對橋梁穩(wěn)定性的影響非常微小，可以忽略不計。

(3)工況六的荷載組合下施加的情況，應(yīng)當屬于最不利施工荷載組合的情況，但是在這種情況下，單邊掛藍掉落+橫向風(fēng)荷載+縱向風(fēng)荷載+整體降溫20 ℃對橋梁穩(wěn)定系數(shù)的影響也只占到總安全系數(shù)的 3.9%。由此可以看出施工過程中所產(chǎn)生的荷載對橋梁安全穩(wěn)定的影響是相對比較小的，橋梁在設(shè)計時所采用的數(shù)據(jù)參數(shù)才是影響橋梁穩(wěn)定性決定因素。

3.2 橋墩壁厚對整體穩(wěn)定性的影響

當橋墩壁厚減少到10cm的時候，橋梁的屈曲穩(wěn)定性特征值僅為5.4，十分接近第一類穩(wěn)定特征值的臨界值4。也就是說橋墩接近橫向傾覆的安全允許值。橋梁縱向傾覆的穩(wěn)定特征值為 9.6。出現(xiàn)的四種失穩(wěn)模態(tài)都是高墩失穩(wěn)破壞，其三階與四階模態(tài)都是表現(xiàn)為近似壓桿失穩(wěn)的態(tài)勢，因此無論是那種失穩(wěn)模態(tài)破壞，壁厚采用10cm的時候都是本橋橋墩的臨界失穩(wěn)壁厚。

橋墩的壁厚對最大懸臂狀態(tài)的穩(wěn)定性影響十分明顯，若想加強橋墩某個方向的穩(wěn)定性，通過加強影響該方向穩(wěn)定的橋墩壁厚是一個不錯的選擇。通過調(diào)整順橋向的壁厚與橫橋向橋墩的壁厚使橋梁在縱橫兩個方向上屈曲穩(wěn)定特征值接近，從而能夠達到提高最大懸臂施工狀態(tài)下橋梁穩(wěn)定的目的。

3.3 混凝土容重對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

從結(jié)果分析得出結(jié)構(gòu)發(fā)生穩(wěn)定破壞的形式并沒有隨混凝土容重的變化而改變，從屈曲穩(wěn)定特征值上看，混凝土容重增加的比率與結(jié)構(gòu)第一類模態(tài)的穩(wěn)定特征值減小的比率相當。在容重為 28kN/m的情況下，結(jié)構(gòu)第一類失穩(wěn)模態(tài)穩(wěn)定性特征值為16.569 76。仍然能遠遠大于穩(wěn)定性系數(shù)的允許值 4，可以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

對于整個最大懸臂施工階段來看，墩柱的壁厚、混凝土容重對整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的影響要遠大于施工不利荷載組合對結(jié)構(gòu)的影響，風(fēng)荷載與整體升(降)溫對橋梁的影響很小，幾乎可以忽略不計。提高最大懸臂階段穩(wěn)定性的方法可以從增加墩柱壁厚、改變橋墩的截面形式、減小自重方面入手，這樣可以有效的加強最大懸臂時結(jié)構(gòu)在橫橋向、順橋向和橋墩豎向三個方向的穩(wěn)定性。

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[2] 文武松，周新亞.蘇通大橋輔航道連續(xù)剛構(gòu)橋建造技術(shù)[M].中國鐵道出版社，2010.

[3] 朱新實，劉效堯主編.預(yù)應(yīng)力技術(shù)材料設(shè)備[M].北京：人民交通出版社，2005.

2014-12-11

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