风荷载作用下连续刚构高桥墩稳定性分析

贾 锋

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030006）

在前几年，稳定大多是对于斜拉桥、悬索桥、拱桥来说的，而对于连续刚构桥，一般认为不需考虑其稳定性。但近些年，工程建设技术的发展，使连续刚构桥也向高墩与大跨发展，并趋于采用高强材料和薄壁结构，因此，工程施工中的稳定性监控对于安全施工及成桥运营就显得更加的重要。本文仅就众多荷载中的风荷载对高桥墩的影响进行空间稳定性分析，为相关桥梁的施工风荷载监控提供一定的理论依据。

1 工程概述

某高速公路特大桥，其主桥结构形式为预应力混凝土连续刚构体系，跨径组合为106+200+200+200+106m。桥面总宽度25m，单幅箱梁顶面全宽12.5 m、底面全宽6.5 m，顶面设2%的单向横坡（单幅桥）。梁体采用1.8次抛物线变截面分离矩形箱梁，梁高从跨中3.5 m渐变至墩梁固结处的12 m；腹板厚度从跨中0.40 m渐变至墩梁固结处的0.70 m；底板厚度从跨中0.32 m渐变至墩梁固结处的1.10 m；顶板厚度0.28 m；主墩最高达178 m。

图1 桥梁总体布置立面图/m

2 分析思路及加载工况

2.1 分析思路

对于桥梁本身而言，桥墩的重力几乎是不变的，墩顶受到的主梁的重力及其他竖向的荷载总和几乎也是不变的。为便于说明，把高墩T构受到的重力与风载作图，见图2。

因为主梁的重力GL几乎是不变的，分析墩在失稳临界状态下GL的加载系数就显得意义不大。在图2中，变化的力其实就只有风压q。实际工程中，人们更关心T构在风压q作用下究竟有多大的安全度，也就是说，是墩在失稳临界状态下q的加载系数。

以下就顺着这个思路，针对风载对T构稳定性的影响作进一步的分析。

2.2 加载工况

工况一：主梁上左、右两边风压对称，为q，墩上风压为q，墩的重力密度为g，主梁重力GL。先加载主梁与墩的重力，再加载风压q，求q在结构失稳时的加载系数a。见图3。

工况二：主梁上左边风压为0.5q，右边风压为q，墩上风压为q，墩的重力密度为g，主梁重力GL。先加载主梁与墩的重力，再加载风压q，求q在结构失稳时的加载系数a。见图4。

图2 高墩T构上的重力与风载

图3 工况一加载图示

图4 工况二加载图示

3 模型的建立及结构单元的选取

模型的建立应能进行线性与非线性分析。

ANSYS提供梁单元、板单元、壳单元和实体单元。从计算机的硬件配置和分析精度两方面综合考虑，墩身和系梁混凝土采用实体单元SOLID65，墩身和系梁的内、外钢筋层采用单元LINK8，劲性骨架采用LINK8，主梁和临时支撑采用梁单元BEAM44。

SOLID65单元用于含钢筋或不含钢筋的三维实体模型。该实体模型可具有拉裂与压碎的性能。在混凝土的应用方面，可用单元的实体性能来模拟混凝土，而用加筋性能来模拟钢筋的作用。当然该单元也可用于其他方面，如加筋复合材料（如玻璃纤维）及地质材料（如岩石）。该单元具有8个节点，每个节点有3个自由度，即x,y,z三个方向的线位移，还可对3个方向的含筋情况进行定义。

SOLID65单元重要的方面在于其对材料非线性的处理。其可模拟混凝土的开裂（3个正交方向）、压碎、塑性变形及徐变，还可模拟钢筋的拉伸、压缩、塑性变形及蠕变。

简化后的截面见图5～7，图8中所示的为一个典型的高墩T构的有限元模型。

4 应力分析结果及评价

图5 178 m高墩与130 m高墩的墩顶计算截面（单位：m）

图6 178 m高墩的墩底计算截面（单位：m）

图7 130 m高墩的墩底计算截面（单位：m）

图8 高墩T构有限元模型图

为进一步具体地看到结构的反应，鉴于篇幅所限，在此不再分工况表示应力曲线，仅分工况，把失稳临界状态下混凝土和外层钢筋的竖向正应力用云图表示出来，为施工及监测中的风压控制提供一定的理论依据。其中，应力分析中正值表示受拉，负值表示受压。

5 结论

从应力曲线图及应力云图中可得出以下几点结论：

（1）随着加载系数的增加，墩身截面由开始的全截面受压变成截面的一侧受压另一侧受拉；而且加载系数增加到一定程度

工况一：

图9 失稳临界状态下混凝土的竖向正应力云图

图10 失稳临界状态下外层钢筋的竖向正应力云图

图11 失稳临界状态下混凝土的竖向正应力云图

图12 失稳临界状态下外层钢筋的竖向正应力云图

工况一：时，截面受拉一侧的混凝土开裂；最后结构因为受拉钢筋的屈服而破坏。

（2）结构的破坏为受弯破坏，与通常的小偏小破坏不同。

（3）两个工况下，结构在开裂时的加载系数分别为1.231和1.546，破坏时的加载系数分别为2.186和2.930，因此说明：从结构的开裂到结构的破坏过程中，结构具有足够的延性。

（4）从混凝土的应力云图中同时可以看出，结构破坏的时候，混凝土已大面积开裂。

（5）一般对于高墩稳定分析的做法，是把桥墩作为一个在侧向力作用下发生侧移的压杆来分析的。但显然，桥墩的重力几乎是不变的，墩顶受到的主梁的重力及其他竖向的荷载总和几乎也是不变的，变化的是风载，那么，计算结构临界状态时墩顶竖向力的加载系数就显得没有意义，而分析结构在多大的风载作用下才会失稳破坏是切合实际的做法，同时，桥梁的高墩T构施工稳定分析的稳定系数应为T构失稳临界状态时的风载加载系数。因此，从分析结果来看，后者的分析才更趋于安全与合理。