山区大跨径连续刚构桥高墩稳定性有限元分析
向亚军
摘要：大跨径连续刚构桥是跨越深谷山区桥梁结构的主要形式之一。文章以（106+200+106） m连续刚构桥主墩为分析对象，基于ANSYS有限元软件，考虑风荷载和结构自重作用，对该桥177.4 m高双肢薄壁-箱型组合墩在裸墩下的稳定性进行了分析，并对比分析了不同壁厚和桥墩分叉点位置对稳定性的影响。
关键词：连续刚构;有限元;双肢薄壁-箱型组合墩;稳定性;分叉点位置
0 引言
连续刚构桥梁由于主墩能够分担部分弯矩作用，主梁跨度整体大于连续梁桥，且主墩顺桥向抗推刚度可以减少混凝土主梁温度和收缩徐变效应[1]，因此该桥型在山区桥梁中得到了越来越广泛的应用。连续刚构设计时，主梁跨径越大，其主墩高度越高，高墩在平衡全桥受力的同时，其自身稳定性也是目前设计和施工的重点。赵文学和周立平等分别从施工技术保障措施和施工监控角度对连续刚构高墩稳定性进行了研究[2-3]。唐峰等对连续刚构双肢薄壁墩稳定性进行了分析，并对比了桥墩各参数的影响[4]。
目前研究中大多数以传统双肢薄壁墩为研究对象，桥墩高度有限，基本在80 m以下，而大跨径连续刚构主墩高度可能超过100 m，甚至接近主梁跨径，桥墩类型也较多采用双肢薄壁-箱型组合墩。目前文献对该桥墩形式缺少相关的系统与深入研究，因此对该桥墩形式进行研究是必要的和有意义的。本文以国内某山区（106+200+106） m连续刚构工程项目为背景，基于ANSYS有限元软件，分析了该桥所采用的177.4 m双肢薄壁-箱型组合墩在裸墩下的稳定性，并分析了桥墩主要设计参数对稳定性的影响，其计算结果有利于提高桥梁设计者对连续刚构高墩稳定性的认识。
1 工程背景
国内某工程为跨越180 m深沟，拟采用（106+200+106） m连续刚构作为主桥设计方案，主梁采用变截面单箱单室混凝土箱梁形式，主墩处高12.5 m，跨中高4.5 m，主墩均采用双肢薄壁-箱型组合墩，墩高分别为80.0 m和177.4 m，过渡墩均采用矩形实体墩形式，其墩高分别为28.2 m和26.3 m。该连续刚构桥墩下均接承台和桩基础。桥型布置如图1所示。
对于本桥而言，主跨200 m連续刚构上部结构形式在国内已经得到应用，不是本项目的设计难点。然而177.4 m主墩在国内应用较少，特别是考虑施工过程影响，兼顾山区风荷载作用，裸墩稳定性是重点分析环节。本文以177.4 m主墩为分析对象，对其稳定性展开研究。该桥墩断面形式如图2所示。桥墩材料为C55混凝土，弹性模量Ec为3.55×104 MPa[5]。
由图2可知，桥墩分为两部分，上部80 m高度范围内采用双肢薄壁形式，其余部分采用单箱三室断面形式。其中双肢薄壁断面尺寸和箱型断面两侧箱室尺寸一致，有利于施工控制。
2 稳定性分析原理
稳定性分析是保障桥梁结构安全的重要内容。桥梁工程中稳定性问题一般指第一类稳定问题，即通过对结构弹性稳定分析以期获得结构失稳形式和失稳系数。在该类稳定下，由势能驻值原理得[6]：
计算得到：（1）前五阶稳定安全系数分别为20.6、25.5、30.6、77.3和155.6;（2）桥墩失稳形式以弯曲失稳为主，扭转失稳形式的稳定安全系数明显大于弯曲失稳的安全系数;（3）该双肢薄壁-箱型组合墩失稳表现为纵桥向弯曲失稳形式，双肢部分是失稳控制的关键部分。本文通过改变双肢分叉点位置和桥墩主要截面尺寸参数对该双肢薄壁-箱型组合墩进行参数分析，以获得主要影响参数，为设计和施工提供参考。
4 参数分析
4.1 分叉点位置
分叉点位置（即双肢薄壁部分高度）影响结构整体刚度，从而影响稳定性分析结果。设计时，双肢薄壁-箱型组合墩中双肢高度一般控制在80 m左右。本次分析时，取桥墩总高度不变，分析双肢部分高度hs在20～160 m范围内变化时对稳定性的影响，并得到稳定安全系数（以下均指第1阶稳定安全系数）如图5所示。
图5表明：桥墩总高度不变的情况下，改变分叉点位置对裸墩稳定性的影响较大。当双肢薄壁部分高度处于60 m以下时，稳定安全系数随双肢薄壁部分高度增大而增大，在高度为60 m时稳定性安全系数达到最大值，即稳定效果最好。当双肢薄壁部分高度>60 m时，稳定安全系数随双肢薄壁部分高度增大而减小，说明此状况下双肢薄壁部分对结构整体几何刚度的削弱越来越明显。从稳定安全系数计算结果来看，建议该高度双肢薄壁-箱型组合墩双肢薄壁部分高度取为60 m。
4.2 截面尺寸参数
双肢薄壁纵向总厚度b、双肢薄壁纵向壁厚bz和横向壁厚bh是双肢薄壁-箱型组合墩主要设计参数。本文以上述三个截面参数为变量对桥墩稳定性进行分析。其中，b变化范围取值为2.5～4.5 m;bz变化范围取值为0.5～1.3 m;bh变化范围取值为0.6～2.2 m，计算结果如图6所示。
由图6计算表明：
（1）随双肢薄壁纵向总厚度的增加，桥墩稳定安全系数也随之增加，前期增加较快，后期增加较慢;随双肢薄壁纵向壁厚增加，稳定安全系数随之减小，在bz从0.5 m变化到1.3 m过程中，稳定安全系数变化趋势接近2次抛物线形式;随双肢薄壁横向壁厚增加，稳定安全系数随之减小，当bh>1.0时，稳定安全系数呈线性变化。
（2）就以上三个参数而言，双肢薄壁纵向总厚度对桥墩稳定安全系数影响最为明显，双肢薄壁纵向厚度次之，双肢薄壁横向壁厚影响最小，这与桥墩纵桥向失稳形式密切相关，设计和施工时应合理选取b和bz数值。
5 结语
本文基于ANSYS有限元软件对主跨110 m连续刚构177.4 m高双肢薄壁-箱型组合墩进行了稳定性分析，主要结论如下：
（1）所分析的177.4 m高双肢薄壁-箱型组合墩失稳形式以弯曲形式为主，其中第一阶失稳形式为纵桥向弯曲失稳。
（2）分叉点位置对主墩稳定性的影响较大，当双肢薄壁部分高度为60 m时，稳定安全系数最大，数值为29.9。
（3）通过截面尺寸参数分析，双肢薄壁纵向总厚度对主墩稳定性的影响较大，纵向壁厚次之，横向壁厚影响最小。
参考文献：
[1]范立础.桥梁工程（上册）[M].北京：人民交通出版社，2017.
[2]赵文学.高墩大跨度连续刚构桥施工稳定性[J].黑龙江交通科技，2017，40（4）：102，104.
[3]周立平，李志勇，蔡 磊.高墩大跨度连续刚构桥施工稳定性分析[J].公路工程，2014，39（4）：226-230.
[4]唐 峰，李德建.山区高墩大跨度连续刚构桥稳定性与参数影响分析[J].铁道科学与工程学报，2016，13（3）：506-511.
[5]JTG3362-2018，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
[6]王新敏. ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.
[7]JTG/T 3360-01-2018，公路桥梁抗风设计规范[S].
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