独柱墩桥梁的结构稳定性分析

周超

摘要：在偶然超载的情况下，独柱墩桥梁有失稳的隐患，必须对其结构稳定性进行定性和定量分析。本文以实际工程结构稳定计算为例，希望为独柱墩桥梁的结构稳定性分析提供技术参考。

关键词：独柱墩;桥梁;结构稳定性

1 工程概况

某桥平面设计线位于R=450m的圆曲线上，由于需要跨老国道，为保证通车要求采用22+38+22m的预应力砼连续箱梁，下部为独柱式桥墩。其主要材料如下：

1.1 混凝土：

箱梁砼：C50混凝土;桥墩和墩帽砼：C40混凝土;桥面铺装：13cm厚钢筋砼

1.2 普通钢筋：

采用R235钢筋，抗拉强度设计值为195MPa;

采用HRB335钢筋，抗拉强度设计值为280MPa;

2 计算参数

2.1 桥梁几何参数

该计算联为22+38+22m的现浇预应力混凝土等高度连续箱梁，下部结构12、13号桥墩为独柱墩，立柱的尺寸为1.6*1.3m;两侧的11、14号墩为桩柱式桥墩，基础为钻孔桩基础。箱梁梁体顶板宽9.5m，高2.0m，底板宽度5.0m;翼緣处顶板高0.2m，顶底板厚0.25m，腹板0.4m，端部处腹板0.6m。

2.2 荷载设计参数

2.2.1 永久作用

2.2.1.1 箱梁自重

由计算程序自动根据梁体计算。

2.2.1.2 桥面铺装

桥面为13cm厚的钢筋砼，钢筋砼的重力密度取25.0kN/m³，桥面净宽8.5m，所以铺装层的单位长度质量为：25×0.13×8.5=27.625kN/m。

2.2.1.3 防撞护栏

单侧护栏折算线荷载集度26×0.28=7.28kN/m，两侧护栏总线荷载集度14.56kN/m。

2.2.1.4 横隔板自重

横隔板自重根据横隔板尺寸计算，以节点集中力作用于桥梁上。三跨中仅38m跨中有一横隔板，折算其自重为25×4.87=121.75kN。

2.2.1.5 基础变位

支座沉降按L/3000计算，即0.013m。

2.2.1.6 收缩徐变

在计算中考虑10年的收缩徐变影响。

2.2.2 可变作用

2.2.2.1 汽车荷载

双车道，设计速度60kN/h，设计荷载为公路II级，验算时按实际运营状况采用公路I级荷载;双车道布载分两种不利情况，沿外侧最边缘布置两个车道荷载和沿内侧最边缘布置两个车道荷载。

2.2.2.2 汽车冲击力

输入相关桥梁数据，由MIDAS自动计算桥梁的冲击系数。

2.2.2.3 离心力

离心力系数值为。

2.2.2.4 全桥温度荷载

取全桥升温+20℃，全桥降温-20℃计算。

2.2.2.5 日照温度梯度荷载

桥面铺装钢筋砼13cm，取T₁=25℃， T₂=6.7℃。

3 结构有限元分析

计算采用MIDAS建立双支座模型，模拟桥梁的双支座，与实际支座设置情况较符合;根据实际情况在模型中输入预应力钢束和普通钢筋。根据建立的MIDAS双支座模型，全桥离散成单元64个，均为主梁单元，节点71个。

3.1 MIDAS计算模型

MIDAS计算空间模型和独柱墩模型示意图如图1：

3.2 荷载组合

3.2.1 支座反力各个标准值计算时应考虑以下几个工况：

工况1：永久荷载+全桥升温+日照温差+汽车荷载（内车道，含冲击力）

工况2：永久荷载+全桥降温+日照温差+汽车荷载（内车道，含冲击力）

工况3：永久荷载+全桥升温+日照温差+汽车荷载（内车道，含冲击力）+离心力

工况4：永久荷载+全桥降温+日照温差+汽车荷载（内车道，含冲击力）+离心力

以上工况中，内车道布载主要检验外侧支座，离心力为有利因素，故不参与组合;外车道布载主要检验内侧支座，离心力为不利因素，故参与组合。但规范中规定当弯道桥的曲线半径小于等于250m时应计算汽车荷载引起的离心力，此桥半径大于250m，因此该桥不计离心力的影响。

3.2.2 各工况支座竖向反力结果如表1（单位：KN）

由计算结果可以看出，所有工况支座竖向反力Fz均不出现负值，说明所有荷载组合工况下支座都不会脱空。

3.3 独柱桥墩抗倾覆稳定计算中需考虑的荷载组合有：

由于该桥桥墩的横向刚度大于其纵向刚度，因此对于该桥墩的抗倾覆稳定验算时，只需考虑桥墩在顺桥向的稳定性。

对于本桥的计算在考虑桥墩在顺桥向的稳定性时，主要考虑的荷载组合主要有以下工况：

工况5：永久荷载+汽车荷载不利反力+制动力+温度力;

工况6：永久荷载+汽车荷载不利反力+制动力+离心力+温度力，当制动力与离心力同时计算时，制动力取70%来计算。

桥墩的抗倾覆稳定系数K₀=N·X/M≥1.5（这里定义桥墩在沿桥向为X轴，横桥向为y轴）;计算结果如表2。

4 结语：

通过对独柱墩桥梁按实际运营状况（公路I级荷载）进行验算，可知该桥梁在活载偏载作用下，独柱墩桥梁的各个支座均不会出现脱空，相应的独柱墩抗倾覆稳定性良好，结构稳定安全。但在日常的公路管理和养护过程中，也要加强对独柱墩桥梁结构的裂缝观测，加强对超载运输车辆的管理，以确保桥梁在运营过程中的安全。

参考文献：

[1]《公路工程技术标准》（ JTG B01-2003）;

[2]《公路桥涵设计通用规范》（ JTG D60-2004 ）