大跨、长联、矮墩连续梁桥结构施工与运营阶段稳定性分析

2017-06-01蔡纪锋

城市道桥与防洪 2017年4期

关键词：成桥梁桥悬臂

蔡纪锋

（福州市规划设计研究院，福建福州 350108）

大跨、长联、矮墩连续梁桥结构施工与运营阶段稳定性分析

蔡纪锋

（福州市规划设计研究院，福建福州 350108）

闽候新南港大桥主桥设计为70 m+4×120 m+70 m连续梁桥,桥址处自然条件复杂。为确保该桥施工和建成运营后的抗风稳定性及安全性,对桥梁主桥结构动力特性、最大悬臂阶段和成桥阶段进行了分析。计算结果表明：最大悬臂阶段结构稳定性最差，对结构稳定性起控制作用的是恒载，活载、风荷载等对桥梁最大悬臂状态的稳定影响不大。该计算结果为大桥的设计和施工提供了理论依据。

大跨度；长连续梁桥；稳定性；分析

0 引言

稳定问题是力学中一个重要分支，是桥梁工程中经常遇到的问题，与强度问题有着同等重要的意义。结构稳定问题可以分为两类：一类是分支点失稳；另一类是极值点失稳。分支点失稳是指系统的应力状态处于某种临界状态时，对于临界位形的任何扰动都可能使系统丧失稳定性，如理想的轴心受压直杆；极值点失稳是指当作用在系统上的外力达到某一极限值时，即使不增加荷载，甚至减少荷载，变形仍将继续增加，结构丧失承载能力，如偏心受压直杆[1]。国内外在桥梁结构稳定方面已开展了较多的研究，早在1744年，L.Euler就进行了弹性压杆屈曲的理论计算，此后A.Polincare于1985年明确了稳定的概念……。迄今为止研究主要包括四种类型：一类是快速的简便算法，适用于某特定的结构；二类是线弹稳定分析；三类则为几何非线性分析；四类是将动风载等效为静风载的有关研究[2]。

连续梁桥由于外观简洁、跨越能力大、施工方便、造价低等优点，是工程领域修建最多的桥梁之一。近年来随着公路与城市道路建设的蓬勃发展，在场地条件复杂的位置修建大跨度长连续梁桥，由此导致桥梁结构的稳定问题也是一个不容忽视的问题。笔者基于有限元法，考虑了不同荷载组合的作用，应用MIDAS CIVIL2010有限元软件计算分析了一座复杂桥址的大跨长联连续梁桥的最大悬臂和成桥阶段的稳定问题，对设计与施工具有一定的参考价值。

1 工程概况

福州闽侯新南港大桥由南屿通向南通方向接海峡批发市场A号道路，平面位于直线段、半径为900 m的圆曲线及其缓和曲线内，主桥桥桥型布置图见图1所示。大桥单幅桥宽16.5 m；道路等级：一级公路兼城市主干道；主桥设计为70 m+4×120 m+ 70 m变截面预应力连续箱梁桥；中间支点处高7.4 m；边跨直线段及主跨跨中处高3 m；其高跨比分别为1∶16.2和1∶40，梁高变化段梁底曲线采用1.8次抛物线。主桥桥墩设计为板式花瓶墩，墩型剖面为哑铃型断面,中间厚度3.4 m,墩顶9 m范围按花瓶状设计,顶宽10 m，底宽6.5 m，墩侧设0.2 m倒角，墩高约14～18 m,属典型矮墩梁桥结构。桥梁位于大漳溪和闽江的汇流口处，地处福建沿海施工受台风影响，自然条件较复杂。

图1 新南港大桥主桥桥型布置图

2 模型建立

计算采用MIDAS CIVIL2010建立有限元模型进行结构动力分析和屈曲分析,桩土作用采用节点弹性支撑，根据实际钻探资料利用土弹簧模拟土对桩的水平侧向力和竖向摩阻力(土的抗力取值按M动=3 M静)，最大悬臂分析按图纸墩梁临时固结设计模拟，成桥状态采用一般连接特性滞后系统模拟支座。

3 动力特性分析

连续梁的动力特性是研究连续梁动力行为的基础，其自振特性决定其动力响应的特性。一阶竖弯振型对桥梁的抗风稳定性有较大的影响，一阶横弯振型对桥梁在风荷载作用下的侧向位移等影响很大。模型采用多重Ritz向量法计算了该桥成桥状态动力特性，前6阶的频率、周期和振型特性见表1所列，前2阶振型见图2所示。

表1 桥梁自振频率及振型特性一览表

图2 新南港大桥振型图

从表 1和图 2可以看出，第一阶基频为0.414 4 Hz，属于中等周期结构类型，结构前6阶振型特征主要表现为主梁纵飘、竖向弯曲振动和侧向弯曲振动，表现出连续梁桥结构体系的特点。

4 稳定性分析

4.1 风荷载

分析考虑纵、横向风荷载作用，风荷载按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）选取，标准荷载可按下式计算:

式中：Fwh为横桥向风荷载标准值；K0为设计风速重现期换算系数，取1.0；K2为考虑地面粗糙度类别和梯度风的风速高度变化修正系数；K3为地形地理条件系数，取1.0；K5为阵风风速系数，取1.38；Wd为设计基准风压；Awh为迎风面积；W0为基本风压，由于桥位处缺乏观测资料，桥梁设计基本风速采用规范[3]附表A福州风压，最大悬臂状态按1/50取0.7 kN/m2，成桥运营阶段风速按1/100取0.85 kN/m2；K1为风载阻力系数对桥墩按规范[3]

查得，对桥梁上部按下式计算：

式中：B为桥梁宽度，取16.5 m；H为梁高。

4.2 最大悬臂阶段稳定验算

大跨连续梁桥施工阶段稳定性包括桥墩自体稳定性和主梁悬浇过程的稳定性，其中施工最大悬臂阶段结构稳定性最差，成为桥梁施工稳定性控制关键。为了能够真实地模拟施工阶段可能存在的荷载，最大悬臂状态下的施工荷载主要考虑了以下几项：

（1）A、B两侧挂篮就位，A侧多浇1/3梁段，1/3梁段重G1=426.4 kN。

（2）考虑梁体自重不均匀，已浇梁段允许混凝土容重差±5%，A侧多5%，B侧少5%，两侧自重系数分别为:

（3）施工活载A侧作用有机具重100 kN，B侧无。

（4）挂篮重量取680 kN，其中挂蓝不正常工作情况即为在施工过程中挂篮突然脱落，动力放大系数取2,即把失去的重量反向放大2倍，按静力问题分析稳定性。

（5）纵向风载(风速偏保按1/50取33.9m/s)，根据规范不对称系数取0.5，纵向施加风压。

（6）横向风载 (风速偏保按1/50取33.9 m/s)，根据规范不对称系数取0.5，横向施加风压。

以4种工况进行稳定性分析:

工况1：1+2+3；

工况2：1+2+3+4；

工况3：1+2+3+4+5；

工况4：1+2+3+4+6。

各工况下的前五阶稳定特征值见表2所列，最不利工况下的一阶失稳模态为纵向侧倾见图3所示。

表2 最大悬臂状态下前五阶失稳特征值一览表

图3 最大悬臂状态下一阶失稳模态图（工况3）

根据四种工况计算的失稳特征值可以看出，工况3为稳定最不利荷载组合，一阶纵向失稳特征值为39.13大于5，满足规范要求[1]，计算结果表明结构具有足够的安全储备。最大悬臂状态时，对结构稳定性起控制作用的是恒载，活载、风荷载等相对较小不起控制作用，不论风荷载的作用方向如何变化，稳定特征值较接近，模态相同。

4.3 成桥状态下稳定验算

成桥运营阶段，结构受荷载种类增加，对稳定计算需要考虑汽车活载的布载位置，结构计算荷载取：

①一期恒载即结构自重；

②二期恒载；

③汽车活载（按四车道布载，集中荷载作用于一侧最高墩墩顶）；

④汽车活载（按四车道布载，集中荷载作用于中跨跨中）；

⑤横桥向风载(风速按1/100取37.4 m/s)。

以2种工况进行稳定性分析:

工况1：①+②+③+⑤

工况2：①+②+④+⑤

各工况下的前五阶稳定特征值见表3所列，最不利工况下的一阶失稳模态为纵向侧倾见图4所示。