大跨双薄壁实心墩施工稳定性参数影响分析

孔祥麟

摘要：文章以某大跨双薄壁实心墩连续刚构桥工程为例，以施工最大双悬臂状态为研究对象，选取混凝土强度等级、墩高、壁厚、横梁个数、不对称施工荷载5个关键设计参数，分析了不同设计参数对大跨双薄壁实心墩连续刚构桥主墩施工稳定性的影响，为大跨双薄壁实心墩设计与施工提供参考。

关键词：刚构桥;双肢;薄壁墩;稳定性;参数分析

中国分类号：U443.22

0引言

高墩连续刚构桥以其受力合理、造价经济、施工方便等诸多優势一直受到建设者与工程师的青睐，尤其在地形复杂的山区，更加得到了广泛应用。然而，这类桥型因高墩所带来的稳定问题也十分突出[1-4]。

为探索高墩连续刚构桥施工稳定性，国内外学者从不同角度对其展开了研究，如钟文健[5]详细分析了横梁、壁厚对施工中的高墩大跨刚构桥稳定性影响，但研究的参数相对较少;杨龙等[6]运用有限元软件建立高墩不同阶段的三维模型，分析了高墩不同阶段的线弹性稳定;王宗伟[7]以刚构桥施工最大悬臂为研究对象，分析初始几何和初始材料缺陷对主墩稳定性的影响，文献[6-7]研究理论较深，考虑了高墩非线性影响，但对施工指导意义一般;王凯华等[8]对比分析了不同形式桥墩对施工稳定性的影响，并提出了提高桥梁稳定性的合理建议。除此之外，尚有较多学者对高墩连续刚构桥施工稳定性进行了研究。

综合不同学者的研究发现，高墩施工稳定问题是一个受多因素影响的问题，有必要单独对各因素进行参数影响分析，而目前针对大跨双薄壁实心墩刚构桥施工稳定性影响参数的研究尚未涉及。因此，本文以某（100+180+100）m大跨双薄壁实心墩连续刚构桥工程为背景，选取混凝土强度等级、墩高、壁厚、横梁个数、不对称施工荷载5个关键设计参数，以施工最大双悬臂状态为研究对象，分析不同设计参数与主墩稳定系数的变化情况，研究不同设计参数对主墩施工稳定性的影响，为大跨双薄壁实心墩设计与施工提供一定的参考与借鉴。

1工程简介及原始模型建立

1.1工程简介

本桥为广西北部某山区一座桥跨布置为（100+180+100）m的大跨双薄壁实心墩PC连续刚构桥，上部结构主梁为单箱单室箱梁，采用C50混凝土，悬臂现浇施工，其支点与跨中横断面如图1所示。

下部结构采用本文所研究的双薄壁实心墩，墩高30 m，横桥向壁宽8 m，顺桥向壁厚1.8 m，双肢中心间距为7.8 m，墩身采用C40混凝土，基础均采用桩基础。

1.2最大双悬臂原始模型建立

为对其施工阶段稳定性进行参数影响分析，采用Midas Civil 2020软件建立结构最大双悬臂状态有限元模型（如图2所示），共划分为110个梁单元、113个节点。

2不同强度混凝土对主墩施工稳定性的影响分析

大跨PC连续刚构桥主墩失稳一般都是其混凝土被压碎所致。因此，下文选取主墩C25～C55七组混凝土强度等级，以施工最大双悬臂状态为研究对象，分析不同强度等级混凝土影响主墩施工稳定系数的变化情况。

经计算，不同强度等级混凝土的主墩施工稳定系数计算结果及分布如表1、图3所示。

分析表1及图3可知，双薄壁实心墩最大双悬臂施工状态下其主墩稳定系数随混凝土强度等级增大而增大，且基本呈线性变化，实际设计中，对于高墩，可适当采用较高强度等级的混凝土。

3不同墩高对主墩施工稳定性的影响分析

大跨双薄壁实心墩刚构桥墩高一般为20～60 m，而墩高<20 m一般考虑采用墩顶设支座的连续梁结构，其主墩一般较矮，稳定问题并不突出。因此，下文分别选取20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、70 m的六组不同墩高，以施工最大双悬臂状态为研究对象，分析不同墩高对主墩稳定系数的影响。

经计算，不同墩高的主墩施工稳定系数计算结果及分布如表2及下页图4所示。

分析表2及图4可知，双薄壁实心墩最大双悬臂施工状态下其主墩稳定系数随墩高增大而减小，且减小速率逐渐变缓，最后趋于稳定。当墩高>60 m，主墩稳定系数已<6，意味着主墩已逐渐趋于不稳定状态。因此，采用双薄壁实心墩刚构桥，从设计和施工安全角度出发，建议墩高控制在60 m以内，当墩高>60 m时，不宜再采用实心墩。

4不同壁厚对主墩施工稳定性的影响分析

双肢薄壁实心墩壁厚是影响主墩稳定的重要设计参数，下文以单肢壁厚1.8 m为基础，分别选取1.2 m、1.5 m、1.8 m、2.1 m、2.4 m五组不同壁厚尺寸，以施工最大双悬臂状态为研究对象，分析不同壁厚对主墩稳定系数的影响。

经计算，不同壁厚的主墩施工稳定系数计算结果及分布如表3、图5所示。

分析表3及图5可知，双薄壁实心墩最大双悬臂施工状态下其主墩稳定系数随壁厚增大而增大，且增大速率逐渐增大，可见双薄壁实心墩施工稳定性受壁厚影响较大。

5不同横梁个数对主墩施工稳定性的影响分析

对于双薄壁实心高墩，为保证结构的稳定，当墩高较高时，一般在双肢间设一定数量的横梁，基于前文研究，下文以60 m墩高为例，选取横梁个数0～5根六组数据，以施工最大双悬臂状态为研究对象，分析不同横梁个数对主墩稳定系数的影响。

经计算，不同横梁个数的60 m主墩施工稳定系数计算结果及分布如表4、图6所示。

分析表4及图6可知，在一定墩高范围内，双薄壁实心墩最大双悬臂施工状态下其主墩稳定系数随横梁个数增多而呈线性增大。对于墩高60 m的双薄壁实心墩，当横梁个数超过3个时，即其横梁间距<20 m时，其稳定系数不再增大，可见增加一定数量横梁可大大提高双薄壁实心墩施工稳定性，但增大效果有限，从安全和经济角度出发，建议横梁间距控制在20～30 m。

6不对称荷载对主墩施工稳定性的影响分析

对于大跨双薄壁实心墩刚构桥，悬浇施工中常出现荷载不对称的情况，如悬浇段不同步或挂篮脱落等，这些情况也是影响主墩施工稳定性的重要因素。

根据《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650-2020），挂篮与悬浇段的质量比宜≤0.5。背景工程最大悬浇段（1 #段）重约2 650 kN，考虑其他一些不对称荷载，本文的不对称荷载影响分析最大值按1 600 kN控制，即分别选取0 kN、400 kN、800 kN、1 200 kN、1 600 kN五组不对称荷载，以施工最大双悬臂状态为研究对象，荷载加载至悬臂根部，分析不同不对称荷载对主墩稳定系数的影响。

经计算，不同不对称荷载下主墩施工稳定系数计算结果及分布如表5、图7所示。

分析表5及图7可知，双薄壁实心墩在受到不对称荷载作用下，其稳定系数有所减小，但减小量相对较小，且随着不对称荷载的逐渐增大，主墩稳定系数减小甚微。可见，双薄壁实心墩施工稳定性受不对称荷载影响较小，其抗不对称荷载失稳能力较强。

7结语

高墩稳定问题是大跨双薄壁实心墩刚构桥施工中的关键问题，本文以背景工程施工最大双悬臂状态为研究对象，选取了混凝土强度等级、墩高、壁厚、横梁个数、不对称施工荷载5个关键设计参数，分别分析了不同设计参数对主墩施工稳定性的影响，得到以下几点结论：

（1）双薄壁实心墩施工稳定性与凝土强度等级呈正相关，基本呈线性关系。对于高墩，可适当采用较高强度等级的混凝土。

（2）双薄壁实心墩施工稳定性与墩高呈反相关，从设计和施工安全角度出发，建议墩高控制在60 m以内。

（3）双薄壁实心墩施工稳定性与壁厚呈强正相关关系，从安全和经济角度出发，建议壁厚尺寸不宜过大。

（4）增设一定数量的横梁可大大提高双薄壁实心墩施工稳定性，但增大效果有限，从安全和经济角度出发，建议横梁间距控制在20～30 m。

（5）双薄壁实心墩施工稳定性受不对称荷载影响较小，其抗不对称荷载失稳能力较强。

参考文献：

[1] 晁铁彦，沈艺宁，刘来君，等. 空心薄壁高墩连续刚构桥全过程稳定分析[J].科学技术与工程，2021（30）：13 123-13 130.

[2] 郭森，孟园英.基于特征值屈曲分析的高墩大跨连续刚构桥稳定性研究[J].城市道路与防洪，2021（8）：275-278.

[3] 杜晨光. 高墩大跨連续刚构桥稳定性与地震反应研究[D].武汉：湖北工业大学，2019.

[4] 王俏.大跨连续刚构桥高墩稳定性研究[D].长沙：长沙理工大学，2017.

[5] 钟文健.考虑墩身结构的高墩大跨桥梁施工稳定性研究[J].交通世界，2021（26）：160-162.

[6] 杨龙，沈林丽，段永凤，等. 高墩大跨刚构桥施工稳定性分析及控制[J].施工技术，2020 （49）：1 215-1 218.

[7] 王宗伟. 山区高墩大跨连续刚构桥施工阶段非线性稳定研究[D].重庆：重庆交通大学，2019.

[8] 王凯华，刘志才.大跨高墩连续刚构桥墩型选择及稳定性分析[J]. 结构工程，2019（252）：134-137.