山区桥梁空心薄壁墩设计要点（2010年第2期 总第114期 ） 更新时间：[2010-07-14] 字体：大中小 山区桥梁空心薄壁墩设计要点 江文寿 电话13809588878 (南平市公路局邵武分局,南平353000) 摘 要 结合山区高速公路特点，介绍山区高速公路桥梁空心薄壁高墩设计的一般方法，重点对山区空心薄壁高墩稳定性进行分析，并通过工程实例进行验证，为山区高速公路桥梁空心薄壁高墩设计提供参考依据。 关键词 山区桥梁 空心薄壁高墩 稳定性分析 1概述 山区高速公路由于受复杂地形条件限制，往往需要修建大量的桥梁构造物，以适应路线线形的布设。跨越深谷、山沟的桥梁也越来越多，墩高超过40m的高墩大量出现，因此高墩的设计成为山区高速公路设计中的重点。 2山区空心薄壁高墩构造型式及受力特性 2.1构造型式 空心薄壁高墩一般包括实体过渡段，空心段和隔板。对于抗震结构来说，质量的分布会对其自振特性产生影响，因而实体过渡段高度的大小、空心段的高度以及隔板的位置有时候对桥墩的地震响应会有所影响。空心高墩顶部，由于承受梁部结构传来的强大集中力，需要设置较厚实的帽梁来承受此反力，在帽梁与空心截面的衔接处， 为使应力在墩身内更好地传递与分布，需要设置墩顶实体过渡段，墩顶实体过渡段过大，会导致桥墩的柔度进一步增加。另外，在墩身与基础的连接处，由于刚性基础的固端作用，空心高墩在动力荷载振动作用下，会产生固端干扰应力，同样，在基顶截面为使墩身应力很好地传递到基础，必须设置墩身实体过渡段。实体过渡段高度一般在1.5m左右。另外还应设置一定数量的通气孔，排水孔。 2.2受力特性 空心薄壁高墩不仅承受上部结构传下的恒载、活载，由于其外轮廓尺寸较大，高度较高，因此空心薄壁高墩承受的风荷载效应十分明显，在进行计算分析时，应准确计算纵、横向风荷载对结构的影响。另外，由于混凝土热传导性能很差，使箱型桥墩墩内表面温度比向阳面温度低很多，而与墩内气温接近，从而产生的温度应力也不可小视。随着墩高的增加，空心薄壁墩的稳定性分析成为控制设计的重要因素。 3高墩稳定性分析方法 结构失稳是指结构在外力增加到某一量值时，稳定平衡状态开始丧失，稍有扰动，结构变形迅速增大，使结构失去正常工作能力。在桥梁结构中，总是要求其保持稳定平衡，也即沿各个方向都是稳定的。研究稳定可以从小范围内观察，即在邻近原始状态的微小区域内进行研究，也可从大范围内进行研究。前者以小位移理论为基础，而后者则是建立在大位移非线性理论的基础上。由此引出了研究结构稳定问题的两种形式：第一类稳定，即分支点稳定问题；第二类稳定，即极值点失稳问题。 实际工程中的稳定问题一般都表现为第二类失稳。但是，由于第一类稳定问题是特征值问题，力学情况比较明确，求解方便，而它的临界荷载又近似地代表相应的第二类稳定的上限，因此研究第一类稳定问题有着重要的工程意义。 研究压杆屈曲稳定问题常用的方法有静力平衡法（Eular方法）、能量法（Timoshenko方法）、缺陷法和振动法。 但是由于桥梁结构的复杂性，不可能单靠上述方法来解决其稳定问题，大量使用的是稳定问题的近似求解方法。归结起来主要有两种类型：一类是从微分方程出发，通过数学上的各种近似方法求解，如逐次渐近法；另一类是基于能量变分原理的近似法，如Ritz法，有限元方法可以看成是Ritz法的特殊形式。采用有限元方法来分析结构的稳定性，结构变形与受力的基本公式为： （1） 当结构处在临界状态下，既使， 也有非零解，按线性代数理论，必有 （2）式中： 为线性刚度矩阵； 为几何刚度矩阵。在小变形情况下， 与应力水平成正比，由于发生第一类失稳前满足线性假设，多数情况下应力与外荷载也为线性关系，若某种参考荷载对应的结构几何刚度矩阵为，临界荷载为 ，那么在临界荷载作用下结构的几何刚度矩阵为：（3） 于是式（2）可写成（4） 这就是第一类线弹性稳定问题的控制方程，如果方程有n阶，则理论上存在n个特征值。在工程问题中只有最小的稳定系数才有实际意义，于是稳定问题转化为求方程的最小特征值问题。特征值表示给定荷载的比例因子，而特征矢量即为屈曲形状。在上述分析中引入了两个假定：轴向压力由线弹性分析确定；屈曲引起位移的过程中轴向压力保持不变。 4空心薄壁高墩稳定性分析 4.1工程概况简介 以山区高速公路常用的40T梁为例进行计算分析。上部结构由6片T梁组成，5孔一联，联内墩高均为50m，联端墩采用聚四氟乙烯滑板支座，连续墩墩顶分别采用板式橡胶支座（连续T梁）、上部主梁与墩顶固结（刚构T梁）两种形式；下部采用空心薄壁墩，桥墩横向7m，顺桥向3m，桥墩壁厚0.5m，桥墩顶部实心墩长1m，底部实心段1.5m，四面倒角分别为0.2m×0.2m。公路一级荷载标准。 4.2计算模型 全桥采用梁单元建模，上部结构为空间梁格，模型完全根据工程实际截面建立。连续T梁模型中，采用弹簧单元模拟支座，弹簧刚度根据实际支座型号计算得到；刚构T梁模型中，主梁节点与墩顶节点六个自由度全部刚接，联端支座处均释放纵桥向约束。实际工程中，薄壁墩底部采用承台群桩基础，墩底位移很小，因此在计算模型中固结，不考虑桩顶位移。计算模型如图1所示。 图1 全桥梁格模型 4.3稳定性分析 4.3.1高墩自体稳定性分析 高墩施工完毕后所承受的荷载有自重以及纵横向风荷载。其力学状态为一端固结一端自由的悬臂梁如图2所示，一阶失稳模态如图3所示： 图2 单墩有限元模型 图3 一阶失稳模态 高墩施工完成后，在主梁架设前裸墩状态时，第一阶失稳模态为纵倾，稳定特征值为99，稳定安全系数较高。 4.3.2成桥稳定性分析 (1)连续T梁模型（墩顶设置支座）稳定性分析 连续T梁模型一阶失稳模态如图4所示，一阶稳定特征值为19，失稳模态为全桥纵倾。二阶稳定特征值为21，二阶失稳模态如图5所示，失稳模态为过渡墩纵倾失稳。 图4 连续T梁模型一阶失稳模态 图5 连续T梁模型二阶失稳模态 (2)刚构T梁模型（墩顶固结）稳定性分析 刚构T梁模型一阶失稳模态如图⑥所示，一(见图7)稳定特征值为21，失稳模态为过渡墩纵倾失稳。二阶稳定特征值为54，失稳模态为全桥纵倾失稳。 图6 刚构T梁模型一阶失稳模态 图7 刚构T梁模型二阶失稳模态 4.3.3稳定性计算结果分析 从稳定性分析结果可以看出，裸墩施工完毕后，虽然墩顶处于无约束状态，但竖向仅承受自身重力，轴向力比较小，因此一阶稳定特征值较大，表明裸墩的稳定安全性较高；连续T梁的一阶稳定特征值19，失稳模态全桥连续墩纵倾失稳，表明连续T梁连续墩的稳定性较差，这是因为连续墩顶承受的竖向力较大，但墩顶设置的板式橡胶支座对其约束不足导致；二阶失稳模态为过渡墩纵倾失稳，二阶稳定特征值为21，稳定系数也较小，导致原因同一阶失稳；刚构T梁的一阶稳定特征值为21，主要由于过渡墩失稳引起；二阶失稳模态为全桥连续墩纵倾失稳，二阶稳定特征值为54，表明刚构T梁由于各连续墩墩顶墩梁固结，从而对各连续墩形成有力约束，防止了连续墩过早失稳。总体稳定性分析结果表明，由于墩顶固结，连续墩稳定性明显增强；而过渡墩由于设置滑板支座，墩顶约束不足而成为全桥稳定性最薄弱环节，在设计时需要格外注意。 1 结论及建议 （1） 空心薄壁高墩横桥向截面尺寸较大，顺桥向尺寸较小，所受水平力也以纵向为主，因此高墩的失稳模态以纵向倾覆为主。 （2） 高墩在自身施工完成后的裸墩状态，虽然墩顶无约束，但因其仅受风荷载及其自重，荷载值较小，因此其自身稳定特征值较大。 （3） 刚构T梁由于墩顶固结，一阶稳定特征值明显高于连续T梁，刚构T梁稳定性要比连续T梁稳定性高，因此高墩T梁推荐采用刚构体系。 （4） 过渡墩由于墩顶设置滑板支座，对高墩约束较小，导致空心薄壁高墩稳定性较差，因此需注意过渡高墩的设计。 参考文献 [1] JTG D60-2004 ,公路桥涵设计通用规范[S].北京:人民交通出版社，2004. [2] JTG D62-2004 ,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京:人民交通出版社，2004. [3] 霍明.山区高速公路勘察设计指南 [M].北京:人民交通出版社，2003. [4] 李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京:中国铁道出版社，2003. [5] 江祖铭,王崇礼.墩台与基础[M].北京:人民交通出版社，1994.
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