大跨连续刚构桥实心墩与空心墩稳定效应分析

大跨连续刚构桥实心墩与空心墩稳定效应分析
摘要：本文依托大神高速赤泥泉1号大桥工程实践，对大跨连续刚构桥梁工程中选用的双薄壁实心墩和空心墩的力学稳定效应进行研究。

通过运用Midas-Civil【1】有限元程序进行计算，对赤泥泉1号大桥桥墩进行屈曲分析，对今后此类工程的设计、施工提供借鉴和指导作用。

关键词：双薄壁实心墩；空心墩；连续刚构；稳定效应；屈曲分析
1 引言大营至神池高速公路是山西省“3纵11横11环”高速公路网规划中第三横的重要组成部分，也是山西省中北部地区西通陕、甘、宁，东达京、津、冀的重要战略通道。

赤泥泉1号大桥位于大神高速公路在山西省原平市段家堡乡赤泥泉村西南300m处，跨越一条基岩侵蚀冲沟和二级公路大忻线。

鉴于须保证以大忻线的安全运营和新建桥梁高墩的稳定，故本文运用Midas-Civil有限元程序对赤泥泉1号大桥的双薄壁实心墩和空心墩进行计算分析，以确保既有二级路和新建桥梁结构的安全。

2 工程概况全桥桥长826米，分三联布设，孔跨为(5-40米装配式预应力混凝土连续T梁)+ (66+3-122+66米预应力混凝土刚构)+(3-40米装配式预应力混凝土连续T梁)。

桥墩采用钢筋混凝土实体墩、空心墩、实心双薄壁与空心薄壁的组合墩形式，桥台采用柱式台，灌注桩基础。

桥址位于黄土覆盖基岩山区，微地貌为黄土缓坡、冲沟，基岩侵蚀冲沟、斜坡、陡坎，地形起伏较大，两侧桥台与谷底相差75.0~94.4米。

项目区位于于山西省西北部原平-宁武-神池一带，桥址地层主要由Q4稍密卵石和坡积碎石、Q3湿陷性黄土（粉质粘土）以及P2s全~中风化砂泥岩组成，一般容许承载力介于170~1200kPa之间，地基强度整体较高，桥址地基稳定性较好。

小里程一侧桥台为土石复合边坡，大里程桥台为岩质边坡，两侧桥台坡向均与岩层倾向相同，均呈不利组合，且表层砂泥岩风化严重，易沿坡向滑落，综合评价，两侧边坡稳定性均较差。

3 刚构部分上部主梁构造连续刚构上部结构采用直腹板预应力混凝土箱梁，箱梁为单箱单室断面，采用纵向、竖向、横向预应力混凝土结构，箱梁顶面、底板横坡与路线横坡一致。

箱梁顶宽12m，底宽7.0m，悬臂长2.5m。

合拢段处箱梁中心高度为3m，顶、底板厚0.3m；0号块中心高度为7.6m，顶板厚0.8m，底板厚为1.2m；从悬臂端到0号块根部箱梁高度按变化，底板厚按变化，其中x 为计算截面至悬臂端的距离。

4 刚构部分下部构造连续刚构部分6号、9号墩采用空心墩，如图1所示。

7号、8号墩采用双薄壁实心墩，如图2所示，墩顶以下30米段为双薄壁实心墩，顺桥向宽2.0米，横桥向宽7.0米，空心薄璧墩部分横、顺桥向壁厚分别为0.8米和2.0米。

桥墩基础均采用灌注桩。

5 刚构部分施工方法
5.1 上部结构施工要点: (1)箱梁采用挂篮悬臂平衡浇筑施工，悬臂两端允许
的不平衡重量最大不得大于一个梁段的底板自重。

(2)合拢的顺序是：先合拢连续刚构第一、五跨，再合拢二、四跨，最后合拢第三跨。

(3)同一梁段混凝土（包括0号块混凝土）必须一次浇筑完成。

(4)箱梁底板上的挂篮后吊点孔洞不封闭，作为箱梁通风孔。

要求其外形规则、美观。

5.2 下部结构施工要点: (1)在进行墩身施工时应注意安装主梁0号梁段托架的预埋构件。

(2)主墩墩身第一次浇筑时应至少浇筑2m高的空心墩柱，即主墩第一节浇筑高度至少应为5m，以减少刚度突变产生的混凝土收缩裂缝。

(3)主墩轴线偏位≤±10mm，断面尺寸≤±10mm，墩身垂直度≤H/3000（H为墩身高度）且不得大于20mm。

(4)主梁0号梁段和墩身之间的混凝土浇注龄期差不得大于40天。

6 计算分析依据赤泥泉1号大桥联孔布置情况，采用Midas-Civil有限元程序，对桥梁第二联刚构部分的施工过程进行模拟计算。

整个模型共364个节点，343个单元，分为23个模拟施工阶段。

全桥计算模型如图3所示。

6.1 建模原则(1)单元的确定：双薄壁实心墩和空心墩采用不同截面属性的梁单元模拟，主梁用包含19种截面的一个变截面组模拟，系梁用梁单元模拟。

(2)材料参数的确定：材料参数依据公桥规选取。

(3)边界条件【2】的确定：依据实际支撑情况，在墩底施加位移约束，限制三个自由度【3】。

(4)考虑了以下几种荷载：自重、预应力、二期恒载、整体升降温、梯度升降温、横向风荷载、顺风向荷载，地震作用，移动荷载以及支座沉降荷载。

图1空心墩构造图
图2双薄壁实心墩构造图
图3计算模型图
6.2 稳定性计算结果分析大跨连续刚构桥墩的稳定性分析，须将结构自重、二期恒载及活载等转化为桥梁结构模型节点的节点质量，以此形成结构的刚度矩阵，方可进行结构的屈曲分析计算。

国内外文献中结构屈曲分析的理论方法有以下两种【4】：
（6-1）
（6-2）
式中，-结构的屈曲荷载值；-结构恒载；-结构活载，-结构屈曲荷载系数。

针对本文赤泥泉1号大桥的屈曲分析，采用公式（6-2）所述计算理论。

Midas-Civil 程序自动计算了大变形引起结构刚度矩阵的变化，利用新的刚度矩阵反复迭代，直至计算完成最终荷载步，刚构部分成桥阶段的屈曲失稳模态如图4所示，全桥刚构部分稳定性计算结果见表1，并对较大墩高的双薄壁实心墩8号墩进行重点分析，计算结果见下表2所示。

通过数值计算表明全桥刚构部分稳定系数较大，有较大安全度，结构具有较好的稳定性。

7 结论通过数值计算分析可知，本桥的双薄壁实心墩和空心墩有良好的稳定性较大的安全度，同时此种结构选型减少了墩身的工程量，降低了桩顶力，故结构选型较合理。

但是双薄壁实心墩和空心墩墩身截面尺寸较小，受压构件的压杆稳定系数、偏心距增大系数较大，故屈曲稳定特征值会比实心墩小，而且空心墩截面角点处易引起力集中产生裂缝，故建议今后此类工程施工时，应增加相应的临时辅助措施，以提高稳定性，设计人员需对此种结构选型引起重视，并对双薄壁实心墩和空心墩的稳定性和强度进行准确计算，有必要对此种选型做进一步分析研究，论证其合理性从而提出优化方案。

图4失稳模态图
表1全桥稳定性计算结果
表28号墩最大悬臂稳定性计算结果
参考文献
【1】邱顺冬.桥梁工程软件midas-civil应用工程实例[M].人民交通出版社,2011.
【2】韩奇峰.双薄壁高墩桥梁稳定性分析[J].建筑技术开发.2006,(02)
【3】李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].中国铁道出版社,1983.【4】李玉刚,康海贵,录慧丽.基于仿真技术的高墩桥施工全过程稳定分析[J].中国水运(学术版) , 2007,(09)。