某特大桥薄壁高墩几何非线性稳定性分析

夏文敏

(海南省公路勘察设计院， 海口 570206)



某特大桥薄壁高墩几何非线性稳定性分析

夏文敏

(海南省公路勘察设计院， 海口 570206)

以厦成高速公路跨山谷路段某特大桥12号高墩为研究对象，建立Beam单元和Thick plate单元三维空间有限元模型，对施工阶段高179.3 m的薄壁高墩分别进行线性、几何非线性稳定性分析。分析结果表明：在最不利荷载工况下，非线性因素对最大悬臂施工阶段高墩的稳定性影响很大。

刚构桥；四肢高墩；稳定性；非线性；有限元分析

厦成高速公路跨山谷路段某特大桥为连续刚构桥，该桥12号墩为最高墩，达179.3 m，桥墩及箱梁尺寸如图1、图2所示。因该特大桥具有跨径大、壁薄、墩高等特点，在最不利荷载工况下，高墩的整体稳定性问题尤其突出。本文以该桥12号墩为研究对象，建立有限元分析模型，对其分别进行线性和几何非线性稳定性分析，旨在通过分析高墩在最大悬臂阶段的稳定性，得出高墩在最大悬臂施工阶段的稳定系数、墩顶荷载与位移的规律性，解决该类高墩的非线性稳定问题。

图1 主梁立面及断面

1 有限元分析模型建立

本文利用MIDAS有限元分析软件，选取分析软件中的Beam单元和Thick plate单元，分别建立最大悬臂施工阶段某特大桥12号高墩的空间三维分析模型，如图3所示。

图3 2种MIDAS/Civil空间三维分析模型

2 四肢变截面空心薄壁高墩非线性稳定性分析

对施工阶段的桥梁结构进行非线性稳定分析时，本文采用极限荷载准则来确定结构的极限荷载值，并计算结构的稳定安全系数，然后按照JTG D62—2004《公路和预应力混凝土桥涵设计规范》中对桥梁结构安全度的评价办法进行评定。

极限荷载准则：在非线性稳定分析中，以荷载-位移曲线上荷载增加不大或出现卸载时对应的荷载作为极限荷载[1]。极限荷载计算公式为：

‖ΔPi‖≤αp‖Pi‖

(1)

式中：αp为不平衡力收敛容差；‖ΔPi‖为节点不平衡力列阵范数；‖Pi‖为节点力列阵范数。

稳定安全系数：某一种工况的屈曲荷载与墩顶实际荷载的比值[2]。结构稳定安全系数最低允许值计算公式为：

(2)

式中：K为结构稳定安全系数。

2.1 最不利荷载工况[3-4]

根据设计资料，本文介绍的12号薄壁高墩最大悬臂浇注施工时荷载的最不利布置如图4所示。考虑了2种最不利荷载工况，见表1。

图4 最不利荷载工况示意

表1 最不利荷载工况

注：G为自重；W挂为挂篮荷载；P为主梁施工荷载；W为主梁横风荷载；FH为墩体横向荷载。下同。

表1中，工况1主要模拟薄壁高墩最大悬臂施工阶段挂篮正常施工情况及其他相关施工荷载；工况2主要模拟薄壁高墩最大悬臂施工阶段挂篮非正常施工情况及其他相关施工荷载。

2.2 几何非线性分析

本文给出了2种工况下12号薄壁高墩四肢墩墩顶内力值，分别见表2、表3。考虑高墩存在初始偏位(单边日照影响)，故本文分别分析了模型的线性及几何非线性[5-8]，并得出不同工况荷载作用下墩顶荷载与桥墩纵向位移关系曲线，如图5、图6所示。将高墩线性分析结果(取1阶屈曲模态特征值)与几何非线性分析结果进行对比，结果见表4、表5。

表2 工况1 12号薄壁高墩四肢墩墩顶内力

注：Fx、Fy、Fz分别为x、y、z方向上的轴力值；Mx、My、Mz分别为x、y、z方向上的弯矩值。下同。

表3 工况2 12号薄壁高墩四肢墩墩顶内力

图5 工况1 12号薄壁高墩墩顶荷载-位移曲线

图6 工况2 12号薄壁高墩墩顶荷载-位移曲线

模型挂篮施工肢墩编号线性稳定系数极限荷载/kN失稳形态几何非线性稳定系数极限荷载/kN失稳形态影响比例/%梁模型正常1#2#3#4#28.391.01×1062.42×1061.05×1062.38×106整体失稳10.453.71×1051.26×1063.93×1051.24×1061#肢失稳63.2板模型正常1#2#3#4#26.089.78×1052.29×1069.87×1052.29×106整体失稳11.253.92×1051.31×1064.00×1051.36×1061#肢失稳56.9

表5 工况2 12号薄壁高墩线性、几何非线性计算比较

由表4、表5可知，在工况1条件下，Beam单元模型的线性稳定极限荷载值为1.01×106kN，几何非线性的稳定安全系数为10.45，极限荷载值为3.71×105kN；Thick plate单元模型的线性极限荷载值为9.78×105kN，几何非线性的稳定安全系数为11.25，极限荷载为3.92×105kN。在工况2条件下，Beam单元模型的线性极限荷载值为7.52×105kN，几何非线性的稳定安全系数为8.24，极限荷载为2.16×105kN；Thick plate单元模型的线性极限荷载值为7.40×105kN，几何非线性的稳定安全系数为9.32，极限荷载为2.37×105kN。2种模型的计算结果较为接近，可作为施工阶段控制薄壁高墩稳定性的参考依据。

由表4、表5还可以看出，12号薄壁高墩在最大悬臂施工阶段的线性及非线性稳定安全系数均大于规范值1.58，安全储备足够。考虑几何非线性因素影响，12号薄壁高墩的整体稳定性较差，主要表现为局部构件先行失稳破坏，然后总体逐渐失稳破坏。考虑几何非线性因素影响时，工况1的极限荷载值较工况2大，可见挂篮施工荷载对薄壁高墩的稳定性影响较大。

3 结论

1) 考虑几何非线性因素影响时，本文所述某特大桥12号薄壁高墩的几何非线性稳定性较差(相对线性稳定性)，主要表现为局部构件先行失稳破坏，然后总体逐渐失稳破坏。由此可知，在最大悬臂施工阶段，几何非线性因素(单边日照影响)对该类薄壁高墩稳定性的影响不容忽视。

2) 考虑几何非线性因素影响时，工况1的极限荷载值较工况2大，可见挂篮施工荷载对薄壁高墩的稳定性影响较大。

3) 几何非线性稳定性计算结果表明，12号薄壁高墩的稳定安全系数大于规范值1.58，说明安全储备足够。

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Analysis to Geometric Non-Linear Stability of Thin-wall High-pier of Certain Super Large Bridge

XIA Wenmin

This paper takes No. 12 high pier of certain super large bridge over valley segment in Xiamen-Chengdu Highway as study object, to set up 3-D space finite element model of Beam unit and Thick plate unit, and carries out linear, geometric non-linear stability analysis to 179.3 m-tall thin-wall high-pier during construction stage. Results show that under most unfavorable load conditions, the non-linear factor has huge influence to stability of high pier during maximum cantilever construction period.

Rigid structure bridge; high pier; stability; non-linear; finite element analysis

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.013

2016-05-04

夏文敏(1985-)，男，海南省万宁市人，硕士研究生，工程师。

1009-6477(2016)05-0050-06

U443.22

A