超高墩大跨连续刚构桥的受力分析

时间：2024-04-24

文/易嘉莉

1 前言

在推进中西部地区发展建设中，发现这些地区往往存在高海拔，多山地，地质地貌条件都较差，建设山区公路就需要一种高墩或超高墩大跨桥梁来克服同时可以很大程度保护环境，减少工程建设成本，但是随着施工条件和外界环境的变化及建成后运营周期的增长，桥梁结构会发生改变，为了保证工程质量和人身安全必须对此类桥梁的受力特性进行分析研究。

本文在现有的研究成果基础上，基于实际的工程案例结合相关理论对超高墩大跨连续刚构桥桥墩受力采用有限元软件Midas-Civil 进行模拟分析，探究超高墩大跨连续刚构桥在收缩徐变影响下的桥墩受力特征，希望能为超高墩大跨度连续刚构桥设计提供参考价值。

2 受力方案设计

某桥梁位于西部山区的高度公路，主桥为预应力混凝土连续刚构桥上部采用（95+200+95）m 三跨一联的结构，桥梁左右幅全长分别为870.5m 和1048.5m，单幅桥梁宽度为12.5m,桥梁全长395m，依据实际桥梁设计图及说明，采用MIDAS-Civil 有限元软件建立模型，模拟不同墩高组合对结构受力影响，其中1#墩，H1（153m），2#墩设置5 组数据，分别为H2（148m）、0.9H2（129m）、0.7H2（115m）、0.5H2（89m）及0.2H2（59m）。

3 收缩徐变对桥梁的受力影响

各种混凝土有不同的徐变和收缩特点，其主要取决于混凝土内部的水化泥浆的物理性质[1]，通常水灰比、水泥的用量、含水率、集料的种类、施工的温度、水泥的品种等都会影响混凝土的收缩徐变[2]。运用有限元软件，计算参数按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62—2004）取定，并根据模拟结果对收缩徐变影响因素进行分析。

收缩徐变作用下，不同墩高组合形式下墩底剪力值，见表1。

由表1 可知，假定保持1#墩的高度不变且改变2#墩的高度，1#墩墩底剪力和2#墩墩底剪力增大值在收缩徐变作用下，变化值相差不多，1#墩墩底和2#墩墩底的剪力都随着2#墩高度的增大而减小，变化大致符合式（1），其中FS表示墩底剪力值，ΔH表示1#墩和2#墩的高墩差。

表1 收缩徐变：不同墩高组合形式下墩底剪力值

收缩徐变作用下，不同墩高组合形式下墩底弯矩值，见表2。

由表2 可知，在收缩徐变影响下，假定保持1#墩的高度不变改变2#墩的高度，2#墩的墩高增大反而使1#墩墩底的弯矩减小且墩底弯矩减小很显著，1#墩墩底的弯矩从4.18E+04kN·m 增加到6.86E+04kN·m，增大的幅度约为64.4%，而2#墩墩底的弯矩对着2#墩的高度增大呈现出先增大后减小。

表2 收缩徐变：不同墩高组合形式下墩底弯矩值

收缩徐变作用下，不同墩高组合形式下墩底轴力值,见表3。

由表3 可知，在收缩徐变影响下，假定1#墩的高度不变且改变2#墩的高墩，2#墩墩高的变小同时引起2#墩墩底轴力减小，墩底轴力从2.80E+05kN 减小到1.65E+05kN，减少了约41.48%，其大致减小趋势符合式（2），其中FN表示墩底轴力值;ΔH表示1#墩和2#墩的高墩差。

表3 收缩徐变：不同墩高组合形式下墩底轴力值

收缩徐变作用下，分析不同墩高组合形式下墩顶位移值。从模拟的结果分析得知在收缩徐变作用下，2#墩墩高减小带动1#墩的左肢和右肢的墩顶位移在增大，而2#墩左肢和右肢的墩顶位移和2#墩墩高的变化保持相同的变化趋势；随着1#墩和2#墩高度差的增加，两对称薄壁墩顶位移的差值从0.9mm 增加到33m,增幅较大，可知随着墩高高度差的增大，收缩徐变对桥墩有很大的影响，在设计桥梁结构时要引起重视。

4 墩高对桥梁的稳定性分析

通常连续刚构桥梁都会承受巨大的荷载，作为受压构件的桥墩，随着桥墩高度的增加，长细比也会增加，为提高结构稳定需要增大墩高，来保证施工阶段和运营阶段桥梁的稳定性。

当一个弹性体在外力作用下处于平衡状态，系统外力位势Πa和内力位势Πi之和达到最小值，即总位势最小，此时Π 一次变分为δΠ = 0，跟一般函数的极值类似。如果二次变分δ2Π ＞0,表示系统是稳定的，此时对应的位势值极小；δ2Π = 0,表示此时系统是稳定平衡的；δ2Π ＜0 表示此时系统是不平衡的，对应的位势值极大，系统是不稳定的。在桥梁上部结构的自身重量和施工的外力可以当作墩顶受到的集中力N，用q 表示墩身自重集度。

通常用来求解临界荷载的方法是可得伽辽金（Galerkin)，其可用虚位移原理来证明压杆平衡后的微分方程可以表示为：

式（3）中：第一项表示内力形成的横向荷载；后一项表示外力形成的横向荷载。

由位移和力学边界条件可知：

可得：

将式（7）代入式（4），得：

可得伽辽金（Galerkin)方程组

计算得临界荷载：