墩身结构对高墩大跨桥梁施工稳定性影响研究

墩身结构对高墩大跨桥梁施工稳定性影响研究

贺少宁1陈润前2

中交路桥北方工程有限公司北京市100000

摘要：基于经济的良好发展，交通基础设施建设实现了飞跃式进步，桥梁工程作为其中的重要内容也做出了巨大的贡献。桥梁建设中，高墩大跨度刚构桥是常用建造形式之一，但由于其结构体系尚不完善，受到外力作用或环境的影响会面临平衡失稳问题。本文将从墩身结构出发，立足于高墩大跨桥梁施工的稳定性进行深入探讨，以期促进提升桥梁工程的安全性。

关键词：高墩大跨桥梁；结构；稳定；安全

1高墩大跨度刚构桥结构分析

高墩大跨度刚构桥的桥墩大多都在40米左右甚至更高，多则达100米以上。通常桥墩结构高且柔，顺着桥梁方向上具有相应的抗推性能，能够适应温差变化、混凝土收缩以及具备制动力与徐变情况下的上部结构水平位移的能力；其墩身多为钢混结构，一般设计为直立式的双柱型薄壁墩，其在桥向方向上有着很强的抗弯刚性，以及在横向上的抗扭性很显著，能够很好的符合大跨径桥梁关于受力的相关要求；实心双薄壁墩无论从施工角度还是从抗撞击性能角度来考虑，都凸显了很强的特性。根据墩身结构要求和高度情况进行计算，可以配备联系板梁在双柱间，从而优化墩身结构体系，改进受力性能。

2工程概况

某特大桥工程，设计桥梁结构体系为高墩大跨连续刚构桥，属于高速公路的设计标准。设计桥梁跨径为左右跨度120m、96m，中间3个跨度均为175m，是大跨高墩预应力混凝土刚构＋连续组合体系桥，桥梁整体长度是750m，宽度2×13m，设计运用了分离式双幅桥型式。

桥墩4个，1#至4#桥墩的高度分别是59m、143m、148m、80m，其中1号桥墩利用的是钢筋混凝土等截面空心墩结构，2、3、4号桥墩利用的是钢筋混凝土变截面空心墩结构，设计桥台为u型，桩基施工方式为钻孔灌注桩技术。

本次基于施工全过程，对墩身结构参数及其稳定性因素进行探究，此过程利用平衡分支失稳方法进行计算，旨在保障桥梁施工的可靠性。

图1：结构示意图

3分析施工中的结构稳定性

3.1施工情况与构建有限元模型

本次施工采用双向挂篮悬浇施工技术，针对其稳定性分析，3号桥墩高度最明显，然而左、右幅3号桥墩之间设计了连梁，这样一来提升了3号桥墩的刚性，但是4号桥墩、1号桥墩的各自的2个桥墩之间没有连梁的设计，由于1号桥墩没有4号桥墩高度高，他们的截面一样，所以针对3号以及4号桥墩应当分析其稳定程度。分析3号、4号桥墩之间的关系，3号的高度远超出4号桥墩，因此3号桥墩更具稳定性分析的工程意义，所以研究此桥墩施工中的稳定性，对于4号桥墩，仅分析其最大悬臂状态下的稳定程度，也就是对其对应的现浇施工工况进行研究。

施工中由于荷载分布的不同，产生两种负荷组合方式，一种是对称荷载，另一种是不对称荷载。在对施工进行稳定性研究的过程中，荷载不但要考虑结构自身重力情况、混凝土施工差异（按照5%节段重计）、挂篮负荷，还要结合不对称施工负荷情况等，计算过程中利用的数值模型利用大型有限元结构分析软件SAP2000来构建。

3.2稳定性结果及其探讨

对施工进行实施分析得到结果表明，4号桥墩基于最大悬臂状态下，1阶失稳模态的特征为：横桥方向稳定性数值为16.11，顺桥方向稳定性数值为22.94，表现为横向稳定性较差。3号桥墩基于最大悬臂状态下，1阶失稳模态的特征为：横桥方向稳定性数值为13.47，顺桥方向稳定性数值为9.56，表现为顺向稳定性较差。图2中施工工况2-24即所应对的工况是悬臂浇注1-23号块，工况24处于最大悬臂状态下。根据对图2进行分析得到：3号桥墩的稳定程度处于最大悬臂状态下为最不稳定，是9.56。工况1为现浇0号段，没有是否对称之分，1阶失稳模态的特征为：横桥方向稳定性数值为39.12，顺桥方向稳定性数值为28.20，具有较强的稳定性。

图2：3号桥墩1阶失稳模态特征变化图

对各施工工况的失稳模态进行分析，可以发现3号桥墩和4号桥墩1阶失稳模态分别为顺桥向和横桥向不稳定，由于这些桥墩都是顺桥向截面宽，横桥方向截面窄，这样一来3号桥墩之间的连梁设计提高了横向的刚性，对3号桥墩的可靠性起到了重要作用。各施工工况中，相对于不对称加载，对称加载时的稳定系数更小，对称加载更不利，说明不对称荷载作用下更大的墩顶弯矩对稳定性的影响不及对称加载作用下的更大的墩轴力的影响。

4分析墩身结构设计参数的稳定性影响

通过分析可以看出，3号桥墩处于最大悬臂状态下，其稳定性较差，这一问题将影响实际施工，所以采取优化设计措施对墩身结构参数进行改进，从而最大程度保证结构的安全性。下面就设计过程中的几个关键因素分析其带来的相应影响，包括连梁、壁厚、几何非线性等方面。

4.1连梁设计方面

根据原始设计，3号桥墩的施工方案中设计了1个连梁，截面数据为2000mm×7000mm，下面分析其位置、数量、截面改变所带来的结构安全性变化情况。

连梁位置对稳定性的影响。对连梁部位处于20-148m的情况下的各稳定性数值进行研究，结果显示：连梁位置的改变对横桥向1阶稳定性的影响较为明显，连梁应当设计在离墩顶较近的位置以提高设计的合理性；连梁位置的改变对顺桥向1阶稳定性的影响可以忽略，单根桥梁的设计过程中，需要考虑将连梁设计在墩底90m以上的位置，这样以来能够将连梁提升横向刚性能力的作用彰显出来。

连梁刚度变化（截面高度变化）对稳定性的影响。分别考虑梁高从20-300cm变化，结果现实：横桥向1阶稳定系数从7.11上升到15.98，顺桥向1阶稳定系数变化为9.34到9.17变化，这样看来，截面高度需要超过140cm，以保证设计的科学性。

两根连梁对稳定性的影响。保持连梁截面不变，两根连梁分别配置在墩顶和墩底，其中墩底的连梁距离底部20-140m，如图3。结果显示：横桥向1阶稳定性变化为从12.17到了14.89，这一数据表明结构稳定性得到了提升，第二根连梁最好设计在接近墩顶的一边，同时与第一根连梁保持适宜距离30m左右，这一方案为优选方案。

图3：第二根连梁位置变化对1阶稳定系数的影响

4.2壁厚设计方面

图4：壁厚变化对1阶稳定系数影响

对桥墩壁厚20-120cm范围内的稳定性进行分析。相关数据见图4。通过数据提取得到，横桥向1阶稳定性数值变化为7.44～14.69，顺桥向1阶稳定性数值变化是3.64-10.15，这样的数据表明，墩壁厚度严重影响着整体桥梁结构的稳定性。即壁厚越来越大，桥梁悬浇施工中的稳定性系数也会越来越高，其增加幅度会越来越小。当桥墩壁厚为120cm时，比对20cm状态下的顺向以及横向1阶稳定系数，是其3.11倍和1.93倍，这表明壁厚改变所影响的顺向稳定性较为明显。在桥梁结构设计中，需要将壁厚设计为超过25cm，以此确保稳定程度超过4，当壁厚设置为40cm时，桥墩结构的稳定性最为适宜。

4.3几何非线性方面

考虑高墩大跨桥梁结构的几何非线性，得知几何非线性对结构的低阶稳定系数影响显著。考虑几何非线性后，所有失稳阶次的稳定系数都减小1，相对减小10.43%-1.18%，就低阶失稳阶次来说，最大达10.43%。

结语：

安全可靠性是高墩大跨桥梁建设中需要重点考虑的一个方面，本次研究结合某特大桥工程，得到相应的结论：针对结构稳定性的控制可以着手最大悬臂状态。为了强化桥梁结构的稳定程度，对于墩身设计过程，需要加强连梁、壁厚以及非线性因素的考虑，单根桥梁的设计过程中，需要考虑将连梁设计在墩底90m以上的位置，这样以来能够将连梁提升横向刚性能力的作用发挥出；两根连梁设计时，第二根连梁最好设计在接近墩顶的一边，同时与第一根连梁保持适宜距离30m左右；连梁的截面高度、数量和位置的变化对悬臂施工桥梁的横桥向1阶稳定性影响较为明显，对桥梁的顺桥向1阶稳定性影响不大；墩壁厚度是施工中的重要影响因素，同时较为严重的影响着顺桥向1阶稳定系数，壁厚设计需要保持超过25cm；而且几何非线性对结构的低阶稳定系数有着很大的影响。

参考文献：

[1]苏晨.桥墩动力试验设计与配重箱选取[D].河北工程大学，2017.