高墩大跨径连续刚构桥的空间稳定性分析

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。

墩供固结体系连续系杆拱桥空间稳定性分析墩供固结体系连续系杆拱桥是桥梁工程领域中一种常见的桥梁结构形式，其具有承载能力强、空间利用率高等特点。

在桥梁工程设计过程中，对于这种桥梁的空间稳定性分析显得尤为重要。

本文将从几个方面对墩供固结体系连续系杆拱桥的空间稳定性进行分析，并探讨其影响因素及相关处理措施。

1. 墩供固结体系连续系杆拱桥的结构特点墩供固结体系连续系杆拱桥是一种通过墩-供-连续系杆形成的空间刚构拱桥。

其结构特点主要包括以下几点：（1）连续系杆：连续系杆是拱桥结构中的关键构件，其作用是通过连续的系杆将拱墩进行连接，形成整体刚构结构，从而能够承受桥梁的荷载。

连续系杆一般采用高强度的钢材制成，能够保证其在桥梁使用过程中的稳定性和安全性。

（2）墩-供固结：墩-供固结是指在拱桥结构中，墩体和供体之间采用固结方式连接，使得整个桥梁结构形成一个整体。

这种结构形式能够有效提高桥梁的承载能力和稳定性，是连续系杆拱桥的重要特点之一。

2. 空间稳定性分析的影响因素墩供固结体系连续系杆拱桥的空间稳定性受到多种因素的影响，主要包括以下几个方面：（1）桥梁结构参数：包括桥梁跨度、拱高、系杆间距等参数，这些参数将直接影响桥梁的空间稳定性。

（2）荷载特性：包括静荷载、动荷载、风荷载等。

这些荷载在桥梁使用过程中将对其空间稳定性产生影响。

（3）地基条件：地基条件的差异将直接影响桥梁的承载能力和稳定性。

（4）施工工艺：施工工艺的合理性将直接影响到桥梁的施工质量和稳定性。

3. 空间稳定性分析的方法针对墩供固结体系连续系杆拱桥的空间稳定性分析，一般采用有限元分析的方法。

通过建立合理的桥梁结构模型，进行静力分析、动力分析，得到结构的受力情况和变形情况，进而评估桥梁的空间稳定性。

还可以采用计算机模拟和实验验证等方法，对桥梁的空间稳定性进行分析和评估。

4. 相关处理措施在实际设计和施工中，为了提高墩供固结体系连续系杆拱桥的空间稳定性，需要采取一些相关的处理措施，具体包括以下几点：（1）合理设计：在桥梁设计过程中，应该根据桥梁的具体情况，合理确定桥梁的结构参数和荷载特性，确保桥梁的空间稳定性。

钢管混凝土高墩连续刚构桥施工期稳定可靠度分析摘要：本文以某高速公路的某某特大桥为工程背景，根据施工期钢管混凝土高墩连续刚构桥悬臂施工特点，建立了最大悬臂施工整体稳定性可靠度分析模型。

同时对钢管混凝土主墩进行参数敏感性分析，识别主墩各参数对可靠指标的敏感程度。

通过分析表明，外包混凝土等级以及主墩钢管壁厚的变化对结构可靠性的影响比较敏感。

关键词：钢管混凝土；悬臂施工；连续刚构；可靠度；0 引言近年来，高墩大跨梁桥以其独特的优势被广泛应用，近年来得到了较快的发展[1]。

钢管混凝土作为一种轻质、高强的组合材料，在桥梁工程中的应用已越来越多。

而与一般钢筋混凝土墩柱相比，钢管混凝土墩柱的优越性主要表现在[2-3]：能够充分发挥钢管混凝土结构抗压强度大的优势；施工便捷，速度快；经济效益显著；延性好，耗能性能好，有利于抗震等。

悬臂浇注的高墩大跨刚构桥是结构随浇注梁段的增加而逐步“生长”的过程，随着悬臂长度加长，其施工恒载、施工活载、风载也都是逐步增大的。

当达到最大悬臂施工阶段时，施工荷载以及悬臂梁段自重产生的效应对整个T构的稳定可靠性最为不利。

本文结合某特大桥最大悬臂施工阶段T型刚构的稳定可靠度分析，对钢管混凝土主墩各设计变量参数作较全面分析，研究其对可靠指标的影响程度。

1 施工期抗力效应概率模型高墩大跨刚构桥其突出特点是顺桥向墩的抗推刚度小，因此它的侧向失稳变形破坏不容忽视。

在进行设计时，必须进行稳定性分析。

本文建立最大悬臂施工阶段抗力概率模型时，不考虑两幅桥梁间的横向联系，即以单薄壁高墩为分析对象。

在进行单薄壁高墩的稳定性分析时，最大悬臂施工阶段计算模型见图6.1所示，图中、表示作用在墩顶上所有竖向力之和及不平衡弯矩之和；、表示梁的惯矩及自重（）；、表悬臂端不平衡竖向力及弯矩。

图1 单薄壁墩侧向失稳变形侧向弯曲失稳的位移函数为。

则用能量守恒原理计算墩顶临界力可得[4]：(1.1)式中：混凝土弹性模量；墩身抗弯刚度，取墩身较小截面顺桥向抗弯刚度，一般取轴和轴的惯性矩中小的抗弯刚度；墩身自由长度；桥墩自重集度，公路桥梁的单薄壁桥墩一般都采用空心薄壁墩，本文研究对象为变截面主墩，从上而下慢慢变大，这里的自重集度是平均集度（）。

４．２．５网格划分网格划分实际上就是结构离散化，即将结构离散为若干个具有有限个自由度的单元的集合体，并将分网前只具有结构几何特征的几何模型转变成结构的物理模型（有限元模型），物理模型就具有了与原结构相似的材料性能、力学特征等物理特性。

所谓的“相似”，是因为建立有限元模型时，总是要根据结构原型的力学特征采取一些假设条件进行简化处理。

所以，两者在一定精度范围内总是等效的或近似的，不可能完全一样。

在建立结构精细空间计算模型时，除满足上述原则外，尚有一个关键问题必须解决，即在进行单元的更详细划分时，如何把握一个合适的尺度。

因为不同精度的结构计算单元本身对单元的划分精细程度有不同的要求，目前学术界对这一问题还未给出定量的规定，仅给出了定性的原则：单元的划分不可过粗，这样不能保证足够的计算精度：一味的进行详细的单元划分也是不可取的，详细的单元划分将使计算单元数大幅增多，计算所需的计算机资源也将大大提高，当单元划分细到一定程度时，再进行细分单元对计算精度的提高效果已不很明显。

本文在对上述问题进行综合考虑后，通过扫略单元划分方法对其进行划分，网格划分完的有限元模型如图４—５所示，单元划分总数：２７９０７个，其中ｓｏｌｉｄ６５混凝士单元２２７３９个，ｌｉｎｋ８预应力钢筋单元５１６８个。

图４．５有限元模型网格划分４－３加载有限元分析的主要目的是考查结构或构件对一定荷载作用的响应。

因此，在分析中指定合适的荷载条件较为关键，在Ａｎｓｙｓ中，荷载包括边界条件和外部或内部作用力函数，荷载共分为六类：ＤＯＦ约束、力、表面荷载、体积荷载，惯性荷载。

在结构分析中这六类荷载依次表示为：位移和边界条件、力和力矩、压力、质量、重力加速度或角速度角加速度。

本文所涉及到的荷载主要有边界条件、质量、重力加速度、压力。

本文将悬臂施工的待浇段混凝土的重量作为面压力（表面荷载）作用于前一阶段刚浇注完成并张拉了预应力柬的节段上，预应力是作为实常数中以初始应变的形式给出，鉴于在实际施工过程中，它是施工工艺的一个重要环节、是实现悬臂施工方法的决定性荷载，所以在此仍然作为荷载形式加以说明。

略谈深水大跨连续刚构桥施工的稳定性预应力混凝土连续刚构桥以其结构安全合理、施工方便成熟、行车舒适平顺、跨越能力强、100～200m跨径下与其他桥型比较造价相对较低、后期养护少等优点当之无愧得成为了山区高速公路、地方县市高等级道路上跨越高谷深沟、大河淤滩的首选桥型。

由于路线布线过程中不可避免的地形、地物的限制，预应力混凝土连续刚构桥常常会碰到必须采用高墩的情况，此时桥梁结构在施工及运营中的稳定问题往往会超越刚度与强度，成为下部结构构件设计的控制性问题，尤其是桥梁悬臂施工阶段，下部结构的稳定问题更为突出。

对处于深水中的连续刚构桥梁，即使墩身本身高度不高，但桩基处于水中无侧向支承的长度较长，其刚度通过承台与墩身串联，整体受力性能与高墩类似，稳定问题同样不容轻视。

因而对该类情况下的桥梁稳定问题展开研究，意义重大。

2.稳定问题概述结构失稳指的是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。

一般将稳定问题分为两类：第一类为线性失稳，即分支点失稳；第二类为非线性失稳，即极值点失稳。

研究稳定问题常用的方法有静力平衡法、能量法、缺陷法等。

对于桥梁结构，由于其所具有的复杂性，更多采用的是近似求解法，主要包括两大类：一类是从微分方程出发，通过数学上的各种近似方法求解；另一类是基于能量变分原理的近似法，如有限单元法等。

本文采用有限单元法对深水大跨桥梁稳定问题展开研究。

3.工程背景本文结合某地方道路深水大跨连续刚构桥的实际施工案例，对桥梁在最大悬臂施工阶段的下部结构稳定问题进行计算分析。

该桥跨越水库，平均水深30m，主桥桥型布置为71.5m+2X130m+71.5m的预应力混凝土连续刚构桥，桥宽18m。

3个主墩全部位于深水中，桥型布置图如图3.1所示。

其中主墩采用双肢薄壁墩，单肢壁厚1.6m，最高墩高26m，承台厚4.5m，桩基长度最长为48m，其中水中无侧向支承长度30m。

单肢高墩连续刚构桥施工全过程稳定性及参数分析连续刚构桥是墩梁固结的组合体系,其综合了连续梁桥和T形刚构桥的优点,在我国的桥梁建设中得到广泛应用。

目前国内外对大跨度连续刚构桥施工过程和成桥状态的稳定性方面的研究已较深入,但大多数文献研究针对的是双肢薄壁高墩连续刚构桥,针对单肢薄壁高墩连续刚构桥的稳定性研究不多,与双肢高墩相比其稳定性有着自身特点,针对性的对单肢薄壁高墩连续刚构桥开展稳定性研究,具有一定的工程价值和研究意义。

本文依托湖南湘西龙永高速上的红岩溪特大连续刚构桥为工程背景,对单肢高墩连续刚构桥悬臂施工过程和成桥状态的稳定性问题开展研究,主要研究工作和成果如下:(1)阐述了国内外连续刚构桥的发展历程和研究现状,简要介绍了结构稳定性研究的基本理论,工程结构稳定性评价指标和判别准则。

(2)使用有限元软件Midas/Civil建立了红岩溪特大连续刚构桥计算模型,并且对其进行静力分析,得到了全桥在基本组合下的内力包络图,通过验算各项应力均满足规范要求,且计算结果与设计结果基本吻合,可知红岩溪特大桥计算模型基本准确。

(3)利用红岩溪特大桥裸墩状态、最大悬臂状态和成桥运营状态的有限元模型,考虑了各种施工荷载(如结构自重、风荷载,温度效应、不对称施工荷载、一侧挂篮跌落、不平衡梁段重等)的影响,对该桥进行了施工全过程的稳定性分析。

研究表明横桥向风荷载是影响高墩自体稳定性的主要因素;施工至最大悬臂状态时稳定安全系数最低,其中一侧挂篮跌落产生的冲击荷载对结构稳定性造成的影响最大;全桥合拢后稳定性显著提高;在对全桥状态的稳定性分析中发现:横桥向风荷载依然是影响单肢高墩连续刚构桥稳定性的重要因素之一。

(4)对影响结构稳定系数的因素进行了参数分析。

结果表明考虑几何非线性效应会使结构的稳定性下降,最大悬臂状态下稳定系数下降了4.2%,成桥状态下稳定系数下降了8.8%,成桥状态对非线性效应更加敏感;考查墩身初始缺陷(墩顶偏位、材料缺陷)对单肢高墩连续刚构桥稳定性的影响,发现材料缺陷发生在1/4墩高处时,对结构稳定性影响最不利,稳定系数下降了3.9%;研究还发现在墩高相等的条件下,虽然单肢墩的稳定系数要比双肢墩高了44.6%,但单肢墩的墩顶弯矩值要大得多,将红岩溪特大桥的主墩改换成双肢薄壁型式后,经计算稳定性仍满足规范要求;全桥状态下的稳定性随着两主墩高差的减少而降低,主墩墩顶弯矩也随之减小,其中双肢墩比单肢墩对主墩高差的变化更加敏感;单肢墩施工至30m~50m的范围时稳定系数下降较快,当墩高超过60m后变化速率降低,同时墩体的稳定性随壁厚的加大而增大,而增大速率随着壁厚增大而逐渐放缓。