夏文敏

(海南省公路勘察設(shè)計院， 海口 570206)

?

某特大橋薄壁高墩幾何非線性穩(wěn)定性分析

夏文敏

(海南省公路勘察設(shè)計院， 海口 570206)

以廈成高速公路跨山谷路段某特大橋12號高墩為研究對象，建立Beam單元和Thick plate單元三維空間有限元模型，對施工階段高179.3 m的薄壁高墩分別進行線性、幾何非線性穩(wěn)定性分析。分析結(jié)果表明：在最不利荷載工況下，非線性因素對最大懸臂施工階段高墩的穩(wěn)定性影響很大。

剛構(gòu)橋；四肢高墩；穩(wěn)定性；非線性；有限元分析

廈成高速公路跨山谷路段某特大橋為連續(xù)剛構(gòu)橋，該橋12號墩為最高墩，達(dá)179.3 m，橋墩及箱梁尺寸如圖1、圖2所示。因該特大橋具有跨徑大、壁薄、墩高等特點，在最不利荷載工況下，高墩的整體穩(wěn)定性問題尤其突出。本文以該橋12號墩為研究對象，建立有限元分析模型，對其分別進行線性和幾何非線性穩(wěn)定性分析，旨在通過分析高墩在最大懸臂階段的穩(wěn)定性，得出高墩在最大懸臂施工階段的穩(wěn)定系數(shù)、墩頂荷載與位移的規(guī)律性，解決該類高墩的非線性穩(wěn)定問題。

圖1 主梁立面及斷面

1 有限元分析模型建立

本文利用MIDAS有限元分析軟件，選取分析軟件中的Beam單元和Thick plate單元，分別建立最大懸臂施工階段某特大橋12號高墩的空間三維分析模型，如圖3所示。

圖3 2種MIDAS/Civil空間三維分析模型

2 四肢變截面空心薄壁高墩非線性穩(wěn)定性分析

對施工階段的橋梁結(jié)構(gòu)進行非線性穩(wěn)定分析時，本文采用極限荷載準(zhǔn)則來確定結(jié)構(gòu)的極限荷載值，并計算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)，然后按照J(rèn)TG D62—2004《公路和預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》中對橋梁結(jié)構(gòu)安全度的評價辦法進行評定。

極限荷載準(zhǔn)則：在非線性穩(wěn)定分析中，以荷載-位移曲線上荷載增加不大或出現(xiàn)卸載時對應(yīng)的荷載作為極限荷載[1]。極限荷載計算公式為：

‖ΔPi‖≤αp‖Pi‖

(1)

式中：αp為不平衡力收斂容差；‖ΔPi‖為節(jié)點不平衡力列陣范數(shù)；‖Pi‖為節(jié)點力列陣范數(shù)。

穩(wěn)定安全系數(shù)：某一種工況的屈曲荷載與墩頂實際荷載的比值[2]。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)最低允許值計算公式為：

(2)

式中：K為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)。

2.1 最不利荷載工況[3-4]

根據(jù)設(shè)計資料，本文介紹的12號薄壁高墩最大懸臂澆注施工時荷載的最不利布置如圖4所示?？紤]了2種最不利荷載工況，見表1。

圖4 最不利荷載工況示意

表1 最不利荷載工況

注：G為自重；W掛為掛籃荷載；P為主梁施工荷載；W為主梁橫風(fēng)荷載；FH為墩體橫向荷載。下同。

表1中，工況1主要模擬薄壁高墩最大懸臂施工階段掛籃正常施工情況及其他相關(guān)施工荷載；工況2主要模擬薄壁高墩最大懸臂施工階段掛籃非正常施工情況及其他相關(guān)施工荷載。

2.2 幾何非線性分析

本文給出了2種工況下12號薄壁高墩四肢墩墩頂內(nèi)力值，分別見表2、表3。考慮高墩存在初始偏位(單邊日照影響)，故本文分別分析了模型的線性及幾何非線性[5-8]，并得出不同工況荷載作用下墩頂荷載與橋墩縱向位移關(guān)系曲線，如圖5、圖6所示。將高墩線性分析結(jié)果(取1階屈曲模態(tài)特征值)與幾何非線性分析結(jié)果進行對比，結(jié)果見表4、表5。

表2 工況1 12號薄壁高墩四肢墩墩頂內(nèi)力

注：Fx、Fy、Fz分別為x、y、z方向上的軸力值；Mx、My、Mz分別為x、y、z方向上的彎矩值。下同。

表3 工況2 12號薄壁高墩四肢墩墩頂內(nèi)力

圖5 工況1 12號薄壁高墩墩頂荷載-位移曲線

圖6 工況2 12號薄壁高墩墩頂荷載-位移曲線

模型掛籃施工肢墩編號線性穩(wěn)定系數(shù)極限荷載/kN失穩(wěn)形態(tài)幾何非線性穩(wěn)定系數(shù)極限荷載/kN失穩(wěn)形態(tài)影響比例/%梁模型正常1#2#3#4#28.391.01×1062.42×1061.05×1062.38×106整體失穩(wěn)10.453.71×1051.26×1063.93×1051.24×1061#肢失穩(wěn)63.2板模型正常1#2#3#4#26.089.78×1052.29×1069.87×1052.29×106整體失穩(wěn)11.253.92×1051.31×1064.00×1051.36×1061#肢失穩(wěn)56.9

表5 工況2 12號薄壁高墩線性、幾何非線性計算比較

由表4、表5可知，在工況1條件下，Beam單元模型的線性穩(wěn)定極限荷載值為1.01×106kN，幾何非線性的穩(wěn)定安全系數(shù)為10.45，極限荷載值為3.71×105kN；Thick plate單元模型的線性極限荷載值為9.78×105kN，幾何非線性的穩(wěn)定安全系數(shù)為11.25，極限荷載為3.92×105kN。在工況2條件下，Beam單元模型的線性極限荷載值為7.52×105kN，幾何非線性的穩(wěn)定安全系數(shù)為8.24，極限荷載為2.16×105kN；Thick plate單元模型的線性極限荷載值為7.40×105kN，幾何非線性的穩(wěn)定安全系數(shù)為9.32，極限荷載為2.37×105kN。2種模型的計算結(jié)果較為接近，可作為施工階段控制薄壁高墩穩(wěn)定性的參考依據(jù)。

由表4、表5還可以看出，12號薄壁高墩在最大懸臂施工階段的線性及非線性穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范值1.58，安全儲備足夠?？紤]幾何非線性因素影響，12號薄壁高墩的整體穩(wěn)定性較差，主要表現(xiàn)為局部構(gòu)件先行失穩(wěn)破壞，然后總體逐漸失穩(wěn)破壞?？紤]幾何非線性因素影響時，工況1的極限荷載值較工況2大，可見掛籃施工荷載對薄壁高墩的穩(wěn)定性影響較大。

3 結(jié)論

1) 考慮幾何非線性因素影響時，本文所述某特大橋12號薄壁高墩的幾何非線性穩(wěn)定性較差(相對線性穩(wěn)定性)，主要表現(xiàn)為局部構(gòu)件先行失穩(wěn)破壞，然后總體逐漸失穩(wěn)破壞。由此可知，在最大懸臂施工階段，幾何非線性因素(單邊日照影響)對該類薄壁高墩穩(wěn)定性的影響不容忽視。

2) 考慮幾何非線性因素影響時，工況1的極限荷載值較工況2大，可見掛籃施工荷載對薄壁高墩的穩(wěn)定性影響較大。

3) 幾何非線性穩(wěn)定性計算結(jié)果表明，12號薄壁高墩的穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范值1.58，說明安全儲備足夠。

[1] 張新培.鋼筋混凝土抗震結(jié)構(gòu)非線性分析[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[2] 中交公路規(guī)劃設(shè)計院.公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范：JTG/T D60-01—2004[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3] 陳長纓，壽楠椿，王用中.三門峽黃河公路大橋在風(fēng)荷載及施工荷載作用下的穩(wěn)定性分析[J].橋梁建設(shè)，1994，3(2)：30-36.

[4] 馬保林.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋[M].北京：人民交通出版社，2001.

[5] 李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動[M].北京：中國鐵道出版社，1996.

[6] 華孝良，徐光輝.橋梁結(jié)構(gòu)非線性分析[M].北京：人民交通出版社，1997.

[7] 方 興.大跨度斜拉橋非線性及整體穩(wěn)定性研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2003.

[8] 朱伯龍，董振祥.鋼筋混凝土非線性分析[M].上海：同濟大學(xué)出版社，1985.

Analysis to Geometric Non-Linear Stability of Thin-wall High-pier of Certain Super Large Bridge

XIA Wenmin

This paper takes No. 12 high pier of certain super large bridge over valley segment in Xiamen-Chengdu Highway as study object, to set up 3-D space finite element model of Beam unit and Thick plate unit, and carries out linear, geometric non-linear stability analysis to 179.3 m-tall thin-wall high-pier during construction stage. Results show that under most unfavorable load conditions, the non-linear factor has huge influence to stability of high pier during maximum cantilever construction period.

Rigid structure bridge; high pier; stability; non-linear; finite element analysis

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.013

2016-05-04

夏文敏(1985-)，男，海南省萬寧市人，碩士研究生，工程師。

1009-6477(2016)05-0050-06

U443.22

A