山区大跨度高墩连续刚构桥稳定性影响参数分析

韦小飞

(广西长兴工程建设有限公司，广西 南宁 530000)

伴随我们国家经济社会飞速发展，对于基础设施建设的投资越来越大，特别是高速公路的建设越来越多，目前高速公路建设逐渐从平原微丘陵地区向山区峡谷区域发展，而大跨度连续刚构桥因其受力合理、外形优美且施工方便广泛应用于山区峡谷中[1,2]。但山区大跨度连续刚构桥的桥墩因地势原因通常比较高，由此导致结构的稳定性问题突出[3,4]。因此稳定性是山区大跨度桥梁设计和施工必不可少的考虑因素，为确保山区大跨度高墩连续刚构桥施工以及成桥阶段的稳定性，本文根据山区高墩大跨度连续刚构桥为例，通过数值分析软件对全桥实际工程情况进行全过程模拟，采用特征值分析法对结构空间稳定性进行研究，选取可能发生并会对结构实际状态产生较大影响的结构参数，根据施工控制经验确定各结构参数变化范围[5]。在其他参数不变的前提下，选取墩高与壁厚、系梁的设置、高墩双肢间距、混凝土桥墩等影响参数，分析其对连续刚构桥空间稳定性的影响程度，为同类桥梁设计及施工提供借鉴参考[6,7]。

1 工程概况

贵州湄余高速公路一座大跨度高墩连续刚构桥，全桥共两联：(90+160+90)m；大桥设计车速为80 km/h，上下行双向四车道，半幅桥面宽为0.5 m(SA级防撞护栏)+净11.125 m(行车道)+0.5 m(SA级防撞护栏)，整幅桥宽24.5 m。桥梁纵面位于R=60 000 m的竖曲线上。主梁截面为单箱单室截面，箱梁截面顶板宽12.125 m，下底板宽度为6.5 m，左右两侧翼缘板长度为2.812 5 m。悬臂根部主梁高度为9 m，跨中断面主梁宽度为3.5 m。梁高按1.8次抛物线的形式进行变化。

2 有限元模型与参数的选取

2.1 结构有限元模型建立

利用数值分析软件建立全桥三维有限元模型。力学模型的准确性，取决于是否能够对桥梁实际情况能够进行准确模拟，决定着桥梁结构所得分析结构的准确性。主桥上部结构以及桥墩采用梁单元进行模拟，上部结构与桥墩进行刚性连接，对墩底进行全部约束。

2.2 参数的选取

其他条件不变的前提下，计算时仅改变单一参数，选取墩高与壁厚、系梁的设置、高墩双肢间距等影响参数，分析其对连续刚构桥空间稳定性的影响程度。

3 稳定性参数影响分析

3.1 墩高与壁厚

山区大跨度连续刚构桥通常因地势条件而采用高墩形式，因此通过调整墩的高度和壁厚来分析连续刚构桥稳定性能。本文依托工程背景桥梁采用的是双肢薄壁桥墩，其桥墩是等截面。其他情况不变的前提下，分别取双肢薄壁墩壁厚为45、60和75 cm，对应桥墩高度分别为50、60、70、80、90、100、110、120、130和140 m，分析不同墩高与壁厚的桥梁结构的空间稳定系数，计算结果见图1和图2所示。

图1 最大悬臂施工阶段稳定性系数随墩高变化图

图2 成桥阶段稳定性系数随墩高变化图

由图1和图2可以看出，伴随着桥墩高度不断增加，连续刚构桥的稳定性系数也随之变小，并且变化趋势类似成对数函数变化趋势，而桥墩高度相同时，改变双肢薄壁的厚度对结构的稳定性影响很小，其中在最大悬臂施工阶段，当桥墩墩高为80 m时，双肢薄壁墩的厚度从45 cm增加到75 cm时，其稳定性系数从8.39提升到9.18，下降幅度为9.4%；在成桥阶段，当墩高为90 m时，双肢薄壁墩的厚度从45 cm增加到75 cm时，稳定性系数从18.65提升到20.51，变化幅度为9.9%。由此说明双肢薄壁墩的厚度的改变对稳定性系数的影响很小，主要原因在于平行于转轴方向的壁厚变化对桥墩墩柱的长细比不产生影响。综上可知，桥墩高度对山区连续刚构桥稳定性能的影响程度远大于双肢薄壁墩的厚度对结构稳定性能的影响。

3.2 双肢间距

双肢薄壁墩间距对于连续刚构桥的稳定性也有所影响，保持其他参数不变，通过改变双肢间距分析结构的空间稳定性，结合工程实践情况取双肢间距分别为5 m、6 m、7 m、8 m以及9 m时对最大悬臂施工阶段以及成桥阶段结构的空间稳定性进行了分析，计算结果如图3和4所示。

图3 不同双肢间距最大悬臂施工阶段1阶稳定性系数

如上述图3和图4所示，比较5种薄壁墩双肢间距方案下的连续刚构桥1阶稳定性系数相对变化规律可知，不管是结构处于最大悬臂施工阶段还是成桥阶段，随着双肢间距的变大结构的稳定性能逐渐下降，但是下降程度较小。其中当结构处在最大悬臂施工阶段时，薄壁墩双肢间距为9 m时结构的1阶稳定性系数是最小的，相较于间距为5 m时结构1稳定性系数仅降低了1.58%；当结构处在成桥阶段时，同样薄壁墩双肢间距为9 m时结构的1阶稳定性系数也是最小的，相较于间距为5 m时结构1稳定性系数仅降低了5.22%；综上由此可知，连续刚构桥最大悬臂施工阶段以及成桥阶段稳定性系数伴随薄壁墩双肢间距增加而下降的，但下降程度较小，因此这一问题在高墩连续刚构桥设计施工中值得注意。

图4 不同双肢间距成桥阶段1阶稳定性系数

3.4 混凝土强度等级

混凝土强度等级的不同对结构的受力特性影响较大，因此考虑施工过程中混凝土施工的时候因水灰比没有达到一定标准而造成混凝土强度，亦或是混凝土施工过程中出现杂物或材料质量不过关等造成强度不达标，导致桥梁建成后其混凝土强度普遍达不到强度等级要求的强度。因此针对这种特殊情况，结合工程实践，本文选取C30、C35、C40、C45、C50、C55以及C60七种强度等级对最大悬臂施工阶段以及成桥阶段结构的空间稳定性进行了分析，计算结果如图5和图6所示。

图5 不同混凝土强度等级最大悬臂施工阶段1阶稳定性系数

图6 不同混凝土强度等级成桥阶段1阶稳定性系数

如图5和图6所示，比较7种不同混凝土强度等级的连续刚构桥1阶稳定性系数相对变化规律可知，不管是结构处于最大悬臂施工阶段还是成桥阶段，随着混凝土强度等级的提高结构的稳定性能明显得到改善。其中当结构处在最大悬臂施工阶段时，采用C60混凝土时结构的1阶稳定性系数是最大的，相较于混凝土强度等级为C30时结构1稳定性系数仅提高了19.36%；当结构处在成桥阶段时，同样采用C60混凝土时结构的1阶稳定性系数也是最小的，相较于混凝土强度等级为C30时结构1稳定性系数提高了40.95%；由此可知，连续刚构桥最大悬臂施工阶段以及成桥阶段稳定性系数随着混凝土强度等级的提高而增大，因此在施工过程中应注意混凝土施工的质量，确保高墩连续刚构桥安全稳定性。

4 结 论

(1)伴随着桥墩高度不断增加，连续刚构桥的稳定性系数也随之变小，并且变化趋势类似成对数函数变化趋势，而桥墩高度相同时，改变双肢薄壁的厚度对结构的稳定性影响很小，主要原因在于平行于转轴方向的壁厚变化对桥墩墩柱的长细比不产生影响，因此桥墩高度对山区连续刚构桥稳定性能的影响程度远大于双肢薄壁墩的厚度对结构稳定性能的影响。

(2)连续刚构桥最大悬臂施工阶段以及成桥阶段稳定性系数伴随薄壁墩双肢间距增加而下降的，但下降程度较小，因此这一问题在高墩连续刚构桥设计施工中值得注意。

(3)不管是结构处于最大悬臂施工阶段还是成桥阶段，随着混凝土强度等级的提高结构的稳定性能明显得到改善，因此在施工过程中应注意混凝土施工的质量，确保高墩连续刚构桥安全稳定性。