高墩大跨预应力连续刚构桥稳定性分析

公　路　与　汽　运　总第１１６期　Ｈｉｇｈｗａｙｓ＆Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　９ｌ　高墩大跨预应力连续刚构桥稳定性分析　余钱华，周　伟，朱鹏志　（长沙理工大学桥梁与结构工程学院，湖南长沙４１００７６）　摘要：以稳定性理论为基础，以广西布柳河大桥为例，分析了最大悬臂状态下桥梁的稳定性　及全桥的稳定性　利用有限元程序ＡＮＳＹＳ，分析、计算了各工况下桥梁的稳定性，结果均能满足要　求；提出了利用施工辅助设施等加强稳定性的措施。　关键词：桥梁；高墩连续大跨；连续刚构；稳定性　中图分类号：Ｕ４４８．２３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—２６６８（２００６）０５—００９１—０３　高墩大跨连续刚构目前已成为广泛修建的桥型　刚度矩阵；｛　）为结构节点位移向量；｛Ｆ）为结构节　之一，其顺桥向抗推刚度小，技术经济性、抗震性能　点荷载向量。　优良，施工工艺简便等优点令世人青睐。随着该桥　式（１）中［Ｋ　］为结构初始应力矩阵，与荷载大　型跨径和墩高的进一步增大，稳定性问题特别突出。　小有关。假设｛Ｆ）增至　｛Ｆ）时，［Ｋ　］也增大　倍，　本文结合广西布柳河大桥，以施工中最不利状态作　则式（１）为：　为研究对象，运用ＡＮＳＹＳ有限元通用程序，对高墩　（［Ｋ　］十　［Ｋ　］）｛　）＝　｛Ｆ）　（２）　大跨预应力砼连续刚构桥的稳定性进行分析。　假定此时结构达到临界状态，则存在一扰动　１结构稳定理论　｛　）十｛Ａｕ），使结构在外力不变的条件下达到新的　平衡状态，得到：　结构失稳是指外力作用下结构的平衡状态丧　（［Ｋ　］十　［Ｋ　］）（｛　）＋｛Ａｕ））一　｛Ｆ）　（３）　失，稍有扰动，则变形迅速增大，最后结构遭到破坏。　式（３）减式（２）得：　求解结构弹性稳定性问题的实质是求结构在给定荷　（［Ｋ。］＋　Ｋ　］）｛Ａｕ）＝｛０）　（４）　载作用下的一种状态，确定临界荷载和相应的屈曲　只有当（［Ｋ　］十　［Ｋ　］）行列式值为０，即Ｉ［Ｋ　］　形态。对于简单的结构，可以用结构力学或弹性力　＋　［Ｋ　］Ｉ一０时，任何扰动｛Ａｕ）下都满足式（４）。　学的方法；但对于复杂结构，用解析方法很难得出其　这就将稳定性问题归结为求解一个特征值问题。特　临界荷载，采用有限元法可以得到较好的结果。结　征值　、特征向量｛△　）　（ｉ＝１，２，…，　）分别表示各　构在初始平衡时的有限元表达式为：　阶特征值的大小和相应的屈曲形式（失稳模态）。在　（［Ｋ　］＋［Ｋ　］）｛　）一｛Ｆ）　（１）　工程问题中，需求得的最小特征值为　（最小稳定　式中Ｉ［Ｋ。］为结构弹性刚度矩阵；［Ｋ　］为结构几何　特征值），临界荷载为　（Ｆ｝。　［５］　Ｙａｈ　Ｘｉａｏ，Ｗｅｎ　Ｈｕｉ　Ｈｅ，Ｋａｎｇ—ｋｙｕ　Ｃｈｏｉ．Ｃｏｎｆｉｎｅｄ　参考文献：　ｃｏｎｃｒｅｔｅ－ｆｉｌｌｅｄ　ｔｕｂｕｌａｒ　ｃｏｌｕｍｎｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｔｒｕｃ—　［１］　陈宝春．钢管混凝土拱桥设计与施工［Ｍ］．北京：人民　ｔｕｒａ１　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．２００５，１３１（３）．　交通出版社，１９９９．　［６］Ｍａｒｔｉｎ　Ｄ．ＯＳｈｅａ，Ｒｕｓｓｅｌｌ　Ｑ．Ｂｒｉｄｇｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｃｉｒｃｕｌａｒ　［２］蔡绍怀．我国钢管混凝土结构技术的最新进展［Ｊ］．土　ｔｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｆｉｌｌｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｔｕｂｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　木工程学报，１９９９（４）．　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａ１　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０００，１２６（１１）．　［３］李国强，等．工程结构荷载与可靠度设计原理（第二版）　［７］Ｔｏｓｈｉｙｕｋｉ　Ｆｕｋｕｍｏｔｏ，Ｋｏｊｉ　Ｍｏｒｉｔａ．Ｅｌａｓｔｏｐｌａｓｔｉｃ　ｂｅ—　［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００１．　ｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｐａｎｅ１　ｚｏｎｅ　ｉｎ　ｓｔｅｅ１　ｂｅａｍ—ｔｏ－ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｆｉｌｌｅｄ　［４］　Ａｍｉｒ　Ｆａｍ，Ｆｒａｎｋ　Ｓ．Ｑｉｅ，Ｓａｍｉ　Ｒｉｚｋａｌｌａ．Ｃｏｎｃｒｅｔｅ－　ｓｔｅｅｌ　ｔｕｂｅ　ｃｏｌｕｍｎ　ｍｏｍｅｎｔ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｆｉｌｌｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｔｕｂｅｓ　ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ　ｔＯ　ａｘｉａｌ　ｃｏｎｐｒｅｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｌａｔ—　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００５，１３１（１２）．　ｅｒａｌ　ｃｙｃｌｉｃ　ｌｏａｄｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ—　ｉｎｇ，２００３，１３０（４）．　收稿日期：２００６一Ｏ９—２Ｏ　维普资讯 http://www.cqvip.com

公　路　与　汽　运　Ｈｉｇｈｗａｙｓ＆Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　９２　第５期　２００６年１０月　２实桥稳定性分析　２．１工程概况　由于桥面很窄，跨径大，墩又高，故在Ｔ构悬浇　过程中稳定性很重要，包括高墩自体稳定性、主梁悬　浇过程最大悬臂时的稳定性和成桥后全桥的稳定　性。分析计算采用ＡＮＳＹＳ有限元软件，结构稳定　性分析利用空间杆系模型，采用ｂｅａｍ４４单元对全　桥进行逼真模拟稳定分析。　２．２高墩自体稳定性　２．２．１风荷载计算　广西布柳河大桥是一座大跨度高墩预应力砼连　续刚构桥，跨径为１４５　ｍ＋２３５　ｍ＋１４５　ｍ，全长　５３７．０８　ｍ；主梁断面为单箱形截面，主桥连续箱梁　预应力采用纵向和竖向双向预应力体系；设计荷载　为汽一２０，挂一１００。变截面箱梁底板按１．７次抛物　线，箱梁顶板全宽仅８．３　ｍ；箱梁根部高１２．８６　ｍ，　１）横向风压。根据《公路桥涵设计通用规范》　跨中箱梁高４．２６　ｍ；箱梁单个Ｔ构采用２７段悬浇，　（ＪＴＧ　Ｄ６０—２００４），横向设计基准风压为：　０　采用搭设浇筑，其余采用挂篮悬浇。桥墩高　Ｗｄ＝ｋ；ｋｉＷ。　９４．７６４　ｍ，为箱形单薄壁空心墩，壁厚１　ｍ，最大桩　式中：ｋ２—０．７９～１．１３；ｋ５—１．７０；Ｗｏ一３５０　Ｎ／ｍ。。　长５５　ｍ（见图１）。布柳河大桥的特点在于径长、墩　２）纵向风压。为横向风压的７０　９／６。　高、桩深，稳定问题较为突出。　２．２．２稳定性分析　两种工况下，桥墩的稳定特征值及墩底内力见　表１。由表１可知，在两种工况下，单薄壁空心墩体　的安全系数较大，最小特征值均远远大于５，说明在　桥墩施工过程中，稳定性可以满足要求。结构失稳　模态见图２。因此，在不受结构整体受力时，宜选用　单薄壁空心高墩。　２．３最大悬臂状态下的稳定性　图　布柳河大桥的整体布置（单位：ｃｍ）　当结构悬臂施工到最末悬浇段２７　时，悬臂长　表１桥墩稳定特征值及墩底内力　的稳定特征值见表２。　出曼　Ⅱ血　挂篮重（８０　ｔ）　３０￣４梁段重　柜工临时荷载（１５　０　口风　图２桥墩的失稳模态　度已达１１６．５　ｍ，此时，在恒载误差、风荷载和施工　图３最大悬臂状态下荷载示意图　荷载误差作用下，结构最不安全，因此，对该阶段进　行稳定性分析。风荷载大小与上节相同。在最大悬　由表２可知，悬臂施工中，在不平衡荷载作用　臂状态下，结构的侧向变形主要表现为一端挂篮脱　下，随着桥墩的增高，稳定性安全系数降低。同一状　落（非正常工作）。在恒载、施工荷载、节段施工误差　态下，挂篮非正常工作时的稳定性安全系数较正常　不平衡重量及风载（如图３所示）条件下，对最大悬　工作时的小，但差值很小。结构失稳模态见图４。　臂状态下的悬浇施工进行稳定性分析。不同墩高时　说明在最大悬臂状态下，稳定性满足要求。　维普资讯 http://www.cqvip.com

公　路　与　汽　运　总第１１６期　Ｈｉｇｈｗａｙｓ　．Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ａｐｐｌｉｃａ　ｔｉｏｎｓ　９３　表２最大悬臂状态下的稳定特征值　墩高／ｍ　稳定特征值　挂篮正常工作　挂篮异常脱落　４Ｏ　４９．７７１　４９．２８７　５５　２６．６４５　２６．３９４　７Ｏ　１６．３５６　１６．２０７　８Ｏ　１３．９９３　１３．８６７　９５　１２．７２７　１２．６１４　１１Ｏ　１２．Ｏ９４　１１．９８７　２．４全桥稳定性　在运营阶段，桥梁承受恒载（包括结构自重、桥　面铺装等）、汽车荷载、风荷载、人群荷载（３．０　ｋＮ／ｍ　）的作用，在成桥稳定计算时考虑以下几种荷　载组合：工况一为恒载；工况二为恒载＋二期恒载＋　风荷载。两种工况下的稳定特征值分别为１３．８６９、　１３．８６９。计算结果表明，成桥后各工况下结构稳定　特征值均大于５，结构安全。结构的失稳模态为面　外失稳（见图５）。　图４最大悬臂状态下结构的失稳模态　图５全桥失稳模态　２．５施工辅助设备作用下的稳定性　在施工过程中，塔式起重机和电梯等施工辅助　设备对最大悬臂施工、附着连杆间距对稳定性将产　生影响，在一定作用下，辅助设施能够加强结构的稳　定性。不同墩高时辅助设备作用下的稳定性和不同　连杆间距下的稳定性计算结果见表３、表４。　从表３、４可以看出，当塔吊和电梯停止施工时　（即静态），桥墩刚度明显加强，稳定性增加，并且连　杆越多，作用越明显。其失稳模态见图６。因此，辅　助设施在一定程度上既能满足装配和运输要求，还　可以满足稳定性的需要。　表３不同墩高下的稳定特征值　ｍ　面　丽　４０　５４．６３７　５４．１Ｏ５　５５　２９．２７　２８．９９４　７Ｏ　１７．９７１　１７．８０８　８Ｏ　１５．３Ｏ２　１５．１６５　９５　１３．８３１　１３．７Ｏ８　１１Ｏ　１３．Ｏ９４　１２．９７８　表４不同连杆间距下的稳定特征值　连杆间距／ｍ稳定特征值　连杆间距／ｍ　稳定特征值　８　１３．７１３　２５　１３．６８７　１５　１３．７０８　３５　１３．６７３　图６辅助设施作用下的结构失稳模态　３　结　语　稳定性分析结果表明，可采取以下措施提高高　墩大跨桥梁的稳定性：①在大跨高墩连续刚构施工　中，采用缆索或吊装系统（附着塔吊）在一定程度上　能加强墩的刚度，提高稳定性；②尽量控制上部箱　梁最小尺寸，以保证箱梁的稳定性要求。　稳定性分析能为桥梁的施工安全性提供很好的　保障。进行桥梁稳定性分析时，计算模型的选择对　结果的影响很大，计算模型的好坏是保证稳定特征　值正误的关键。　参考文献：　［１ｌ马保林．高墩大跨连续刚构桥［Ｍ］．北京：人民交通出　版社，２００１．　［２］赵伟封，等．薄壁特高墩预应力混凝土刚构桥的空间稳　定性口］．长安大学学报，２００４（４）．　［３３黄国权．有限元法基础及ＡＮＳＹＳ应用［Ｍ］．北京：机　械工业出版社，２００４．　［４］黄耀怡．大跨高墩应急钢桥抗风设计研究［Ｊ］．铁路工　程学报，１９９７（２）．　收稿日期：２００６—０９—１２