大跨高墩连续刚构桥施工稳定性分析1

摘要：高墩大跨径连续刚构桥因高墩自身的力学特点，其稳定问题日显突出。本文对高墩大跨连续刚构进行施工阶段的稳定安全性分析，为同类桥型设计提供了参考依据。

关键词：桥梁 连续刚构 施工阶段 稳定性

1 引言

随着我国高速公路建设逐渐向山区发展，大跨度桥梁的建设进入了前所未有的高潮时期。因地形条件所限，山区进行公路建设通常需要跨越河流、沟谷，致使高桥墩结构的修建日益增多。连续刚构桥因其跨越能力大、整体性能强、受力合理、施工方便等优点，成为建设单位及设计者青睐的对象[1]。

随着桥梁跨径的不断增大，桥塔高耸化、箱梁薄壁化及高强材料的应用，结构整体和局部的刚度下降，使稳定问题显得比以往更为重要，甚至有时影响到整个结构的内力作用[2]。为确保大跨高墩连续刚构桥在施工阶段保证安全，对连续刚构桥进行最大悬臂施工阶段的稳定性分析显得尤为重要。

2 稳定问题的解决手段

桥梁结构的失稳现象表现为结构的整体失稳或局部失稳。局部失稳是指部分子结构的失稳或个别构件的失稳。局部失稳常导致整个结构体系的失稳[3]。在桥梁结构中，总是要求其保持稳定平衡，也即沿各个方向都是稳定的。

结构失稳是指结构在外力增加到某一量值时，稳定性平衡状态开始丧失，稍有扰动，结构变形迅速增大，使结构失去正常工作能力的现象[3]。在桥梁结构中，总是要求其保持稳定平衡，也即沿各个方向都是稳定的。建立在大位移非线性理论的基础上结构稳定问题提出了两种形式：第一类稳定是有分支点的如所谓的理想轴压杆的欧拉屈曲问题；第二类稳定是有极值点的失稳问题，实际上结构稳定问题都属于第二类。

对于稳定问题，大量研究所采用基于能量变分原理的近似法进行分析，而有限元法可以看作为该法的一种特殊形式[4]。特别是伴随计算机技术的迅速发展，大型有限元通用程序的使用成为研究高墩大跨连续刚构桥稳定性问题的手段。本文运用有限元程序针对高墩连续刚构桥施工阶段最大悬臂状态进行稳定性分析。

3 工程背景

某四跨连续刚构桥，跨径布置为56m +100m+100m +56m。上部结构采用C50混凝土，主梁采用单箱单室箱梁截面，梁宽12m，墩顶处梁高6.8m，合拢段梁高2.6m。下部采用双薄壁空心墩，结构左墩墩高62m，中墩墩高78m，右墩墩高56m，采用C40 混凝土。

采用MIDAS有限元程序对该桥建立三维空间有限元模型，建模过程中精确模拟结构刚度、质量和边界条件。高墩大跨连续刚构桥的稳定性问题中以施工最大悬臂状态时结构的稳定性最差，成为高墩大跨连续刚构桥稳定性控制的关键。由于中墩（墩高78m）为全桥的最高墩，是本桥稳定性分析的最不利墩，因此针对中墩最大悬臂状态进行稳定性分析，其有限元模型如图1所示。

图1  中墩最大悬臂状态有限元模型

4最大悬臂状态稳定性分析

4.1 稳定性分析工况

高墩最大悬臂施工状态下稳定性分析计算时不但需要考虑挂篮荷载、自重荷载以及施工荷载还需要考虑到风荷载的作用，因此对本桥最大悬臂状态的稳定计算采用3种工况进行：

工况1：自重+挂篮荷载（最后的施工阶段单侧挂篮坠落）+施工堆积荷载+不平衡梁段重+施工误差；

工况2：自重+挂篮荷载（最后的施工阶段单侧挂篮坠落）+施工堆积荷载+不平衡梁段重+施工误差+横桥向风荷载；

工况3：自重+挂篮荷载（最后的施工阶段单侧挂篮坠落）+施工堆积荷载+不平衡梁段重+施工误差+顺桥向风荷载。

施工荷载为主梁上1kN/m2的均布力，不平衡梁段重为每个梁段的30%，施工误差为单侧的悬臂恒载增加5%，风荷载采用《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/ D60-01-2004）中规定的方法计算。

4.2 稳定性分析结果

对结构进行各种工况下的稳定性分析，得到结构的屈曲模态特征值、内力响应及位移响应结果见表1。

表1  结构中墩最大悬臂状态稳定分析结果

5 结论

以薄壁高墩连续刚构桥为研究对象，利用有限元法对结构最大悬臂状态下的稳定性进行了分析，结果表明各工况下结构的施工稳定满足规范要求。在连续刚构桥施工阶段，风载不是高墩的控制因素，但其对桥墩内力有一定影响，在施工过程中对结构进行内力计算时需要特别考虑风荷载的作用。

高墩结构施工状态时的稳定性分析无法精确模拟到其施工状态的状况，因此在施工时，要严格控制结构墩身的垂直度，尽量减少高墩的初始缺陷，以便从根本上保证薄壁高墩连续刚构桥的稳定。

参考文献：

[1] 熊  文．高墩大跨连续刚构桥的稳定性与计算分析[D]．西南交通大学，2003

[2] 马保林．高墩大跨连续刚构桥[M]．北京:人民交通出版社，2001．

[3] 唐承平．大跨连续刚构桥高墩稳定问题研究现状[J]．四川建筑科学研究，2008，68-70．

[4] 李国豪．桥梁结构稳定和振动[M]．北京：中国铁道出版社，2002．

Stability of high-pier large-span continuous rigid frame bridges during the construction stage

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Abstract: With the mechanical feature of high-pier making the stability of high-pier large-span continuous rigid frame bridges becomes a very important issue.The space stability of construction stage is calculated by finite element method, to provide reference for further research on this kind of bridges.

Key words: bridges, continuous rigid frame, construction stage; stability