大跨连续刚构桥的稳定性分析

2010-01-15张雪峰李文斌

四川建筑 2010年6期

魏强,张雪峰,李文斌,曾勇

(1.重庆交通大学,重庆 400074;2.重庆市城市建设投资公司,重庆 400042;3.重庆桥梁工程有限责任公司,400060;4.林同棪国际工程咨询(中国)有限公司四川分公司,四川成都 610041)

大跨连续刚构桥的稳定性分析

魏强1,张雪峰2,李文斌3,曾勇4

高墩大跨径连续刚构桥近几年在我国公路建设中得到广泛应用,未来刚构桥有向跨径进一步加大,上部结构连续长度进一步加长,墩高将越来越高的方向发展。刚构桥的稳定性分析越来越重要。文章侧重从理论上分析了刚构桥的失稳问题及求解方法,并用MIDAS/CIVIL软件对重庆市潼南县莲花大桥进行稳定性的仿真计算。

桥梁; 连续刚构; 稳定性

桥梁结构的稳定性关系到桥梁结构的安全,它与桥梁的强度有着同等的甚至更重要的意义。世界上曾经有过不少的桥梁因失稳而导致全桥破坏的例子。例如加拿大的魁北克(Quebec)桥。该桥在南侧锚碇桁架快要架完时,由于悬臂端下弦杆的腹板屈曲而发生突然崩塌坠落。

1 失稳问题及其求解方法

1.1 两类稳定问题

第一类为分支点失稳问题;第二类极值点稳定问题。实际工程中的稳定性问题一般都表现为第二类失稳。但是,由于第一类稳定问题时特征值问题,求解方便,在许多情况下两类问题的临界值又相差不大,因此研究第一类稳定问题仍然有着重要的工程意义。

1.2 求解方法

因为高墩大跨连续刚构桥基本属于刚接的平面杆件结构,因此可以对平面杆单元运用有限元方法分析,得出其弹性刚度矩阵表达式:

结构变形与受力的基本公式:

按式(2)可以求得在荷载{F}作用时的位移{δ},如果荷载不断增加,则结构的位移增大。

在小变形情况下,当{F}增加 λ倍时,几何刚度矩阵及杆端力均增加 λ倍,因而有

如果 λ足够大,使得结构达到随遇平衡状况,即{δ}变为{δ}+{△δ},上式平衡方程也能满足,则:同时满足式(3)和式(4)的条件是:

这就是计算稳定安全的特征方程式,如果方程有n阶,那么理论上存在n个特征值λ1λ2λ3……λn。在工程问题中只有最低的特征值或最小的稳定安全系数才有实际意义,这时的特征值为λcr,即最小稳定特征值,临界荷载值为λcr{F}。

2 工程实例

2.1 工程概述

潼南县莲花大桥位于重庆市潼南县县城,南岸接老城区滨江路,北岸接新城区西十路口。主桥上部结构为(90+150 +90)m预应力混凝土连续刚构,桥梁全长 330m,如图 1。主梁为单箱单室结构,主梁宽度为(2.5+7+2.5=12)m,其中,箱梁底板宽度为6.5m,翼缘板长度为2.75m。箱梁根部梁高为8.5m,相应底板厚度为1.2m。合龙段及边跨现浇段梁高3.2m,相应底板厚度 0.3m。箱梁下缘按二次抛物线变化。全桥共设 7道横隔板,其中 0号块处墩顶横隔板4道、梁端横隔板 2道及跨中合龙段 1道。梁主墩采用钢筋混凝土双薄壁柔性墩,其混凝土强度等级为C 55。

设计荷载为汽车:城市—B级;人群:2.5 kN/m2。

图1 潼南涪江人行桥主桥整体布置

连续刚构桥在 T构悬浇过程中的高墩自体稳定性、主梁悬浇过程最大悬臂时的稳定性和成桥后全桥的稳定性都很重要。分析计算采用midas有限元软件,采用梁单元对全桥进行逼真模拟稳定分析。

2.2 桥墩自体稳定性

2.2.1 风荷载计算

(1)横向风压:根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D 60—2004),横向设计基准风压为:

图2 桥墩的失稳模态

式中:K2=1.12;K5=1.38;Wo=400N/m2。

风荷载标准值:Fwh=k0k1k3WdAwh

式中:k0=1;k1=0.8;k3=1

(2)纵向风压:为横向风压的70 %。

2.2.2 桥墩的自身稳定性分析

在自重加横向荷载和自重加纵向荷载两种工况下,桥墩的稳定特征值见表 1。由表 1可知,在两种工况下,最小特征值均远远大于 5,说明在桥墩施工过程中,稳定性可以满足要求。失稳模态见图 2。

2.3 最大悬臂状态下的稳定性

当结构悬臂施工到最末悬浇段 16#块时悬臂最长,此时,

在恒载误差、风荷载和施工荷载误差作用下,结构最不安全。因此需对该阶段进行稳定性分析。风荷载大小与上节相同,在最大悬臂状态下,结构的侧向变形主要表现为一端挂篮脱落(非正常工作)。在恒载、施工荷载、节段施工误差不平衡重量及风载条件下,对最大悬臂状态下的悬浇施工进行稳定性分析结果见表 2,失稳模态见图 3、图 4。