文/易嘉莉

1 前言

在推進(jìn)中西部地區(qū)發(fā)展建設(shè)中，發(fā)現(xiàn)這些地區(qū)往往存在高海拔，多山地，地質(zhì)地貌條件都較差，建設(shè)山區(qū)公路就需要一種高墩或超高墩大跨橋梁來(lái)克服同時(shí)可以很大程度保護(hù)環(huán)境，減少工程建設(shè)成本，但是隨著施工條件和外界環(huán)境的變化及建成后運(yùn)營(yíng)周期的增長(zhǎng)，橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，為了保證工程質(zhì)量和人身安全必須對(duì)此類橋梁的受力特性進(jìn)行分析研究。

本文在現(xiàn)有的研究成果基礎(chǔ)上，基于實(shí)際的工程案例結(jié)合相關(guān)理論對(duì)超高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩受力采用有限元軟件Midas-Civil 進(jìn)行模擬分析，探究超高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋在收縮徐變影響下的橋墩受力特征，希望能為超高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)提供參考價(jià)值。

2 受力方案設(shè)計(jì)

某橋梁位于西部山區(qū)的高度公路，主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋上部采用（95+200+95）m 三跨一聯(lián)的結(jié)構(gòu)，橋梁左右幅全長(zhǎng)分別為870.5m 和1048.5m，單幅橋梁寬度為12.5m,橋梁全長(zhǎng)395m，依據(jù)實(shí)際橋梁設(shè)計(jì)圖及說(shuō)明，采用MIDAS-Civil 有限元軟件建立模型，模擬不同墩高組合對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響，其中1#墩，H1（153m），2#墩設(shè)置5 組數(shù)據(jù)，分別為H2（148m）、0.9H2（129m）、0.7H2（115m）、0.5H2（89m）及0.2H2（59m）。

3 收縮徐變對(duì)橋梁的受力影響

各種混凝土有不同的徐變和收縮特點(diǎn)，其主要取決于混凝土內(nèi)部的水化泥漿的物理性質(zhì)[1]，通常水灰比、水泥的用量、含水率、集料的種類、施工的溫度、水泥的品種等都會(huì)影響混凝土的收縮徐變[2]。運(yùn)用有限元軟件，計(jì)算參數(shù)按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD62—2004）取定，并根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)收縮徐變影響因素進(jìn)行分析。

收縮徐變作用下，不同墩高組合形式下墩底剪力值，見(jiàn)表1。

由表1 可知，假定保持1#墩的高度不變且改變2#墩的高度，1#墩墩底剪力和2#墩墩底剪力增大值在收縮徐變作用下，變化值相差不多，1#墩墩底和2#墩墩底的剪力都隨著2#墩高度的增大而減小，變化大致符合式（1），其中FS表示墩底剪力值，ΔH表示1#墩和2#墩的高墩差。

表1 收縮徐變：不同墩高組合形式下墩底剪力值

收縮徐變作用下，不同墩高組合形式下墩底彎矩值，見(jiàn)表2。

由表2 可知，在收縮徐變影響下，假定保持1#墩的高度不變改變2#墩的高度，2#墩的墩高增大反而使1#墩墩底的彎矩減小且墩底彎矩減小很顯著，1#墩墩底的彎矩從4.18E+04kN·m 增加到6.86E+04kN·m，增大的幅度約為64.4%，而2#墩墩底的彎矩對(duì)著2#墩的高度增大呈現(xiàn)出先增大后減小。

表2 收縮徐變：不同墩高組合形式下墩底彎矩值

收縮徐變作用下，不同墩高組合形式下墩底軸力值,見(jiàn)表3。

由表3 可知，在收縮徐變影響下，假定1#墩的高度不變且改變2#墩的高墩，2#墩墩高的變小同時(shí)引起2#墩墩底軸力減小，墩底軸力從2.80E+05kN 減小到1.65E+05kN，減少了約41.48%，其大致減小趨勢(shì)符合式（2），其中FN表示墩底軸力值;ΔH表示1#墩和2#墩的高墩差。

表3 收縮徐變：不同墩高組合形式下墩底軸力值

收縮徐變作用下，分析不同墩高組合形式下墩頂位移值。從模擬的結(jié)果分析得知在收縮徐變作用下，2#墩墩高減小帶動(dòng)1#墩的左肢和右肢的墩頂位移在增大，而2#墩左肢和右肢的墩頂位移和2#墩墩高的變化保持相同的變化趨勢(shì)；隨著1#墩和2#墩高度差的增加，兩對(duì)稱薄壁墩頂位移的差值從0.9mm 增加到33m,增幅較大，可知隨著墩高高度差的增大，收縮徐變對(duì)橋墩有很大的影響，在設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)要引起重視。

4 墩高對(duì)橋梁的穩(wěn)定性分析

通常連續(xù)剛構(gòu)橋梁都會(huì)承受巨大的荷載，作為受壓構(gòu)件的橋墩，隨著橋墩高度的增加，長(zhǎng)細(xì)比也會(huì)增加，為提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定需要增大墩高，來(lái)保證施工階段和運(yùn)營(yíng)階段橋梁的穩(wěn)定性。

當(dāng)一個(gè)彈性體在外力作用下處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)外力位勢(shì)Πa和內(nèi)力位勢(shì)Πi之和達(dá)到最小值，即總位勢(shì)最小，此時(shí)Π 一次變分為δΠ = 0，跟一般函數(shù)的極值類似。如果二次變分δ2Π ＞0,表示系統(tǒng)是穩(wěn)定的，此時(shí)對(duì)應(yīng)的位勢(shì)值極??；δ2Π = 0,表示此時(shí)系統(tǒng)是穩(wěn)定平衡的；δ2Π ＜0 表示此時(shí)系統(tǒng)是不平衡的，對(duì)應(yīng)的位勢(shì)值極大，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。在橋梁上部結(jié)構(gòu)的自身重量和施工的外力可以當(dāng)作墩頂受到的集中力N，用q 表示墩身自重集度。

通常用來(lái)求解臨界荷載的方法是可得伽遼金（Galerkin)，其可用虛位移原理來(lái)證明壓桿平衡后的微分方程可以表示為：

式（3）中：第一項(xiàng)表示內(nèi)力形成的橫向荷載；后一項(xiàng)表示外力形成的橫向荷載。

由位移和力學(xué)邊界條件可知：

可得：

將式（7）代入式（4），得：

可得伽遼金（Galerkin)方程組

計(jì)算得臨界荷載：

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，建設(shè)山區(qū)公路需要應(yīng)用高墩或超高墩大跨橋梁，本文基于實(shí)際的工程案例結(jié)合相關(guān)理論，分析了超高墩大跨連續(xù)剛橋的力學(xué)性能，計(jì)算表明，結(jié)構(gòu)在各階段受力及穩(wěn)定性都能滿足規(guī)范要求，建成后可為同類橋梁的施工積累經(jīng)驗(yàn)，具有參考意義。