深水大跨度刚构连续梁桥稳定性参数敏感度研究

2022-08-06袁步德

铁道建筑 2022年7期

袁步德

京昆高速铁路西昆有限公司，重庆 400020

随着社会经济和工程技术不断发展，越来越多的新建高速铁路（公路）桥梁需要跨越海洋、江河、大型水库等深水区域。大跨度预应力钢筋混凝土刚构连续梁桥以其简洁的造型、良好的跨越能力、较低的造价、较少的后期维护费用等优点，成为现代深水大跨桥梁建设中的主要桥型之一［1］。

围绕高墩大跨连续刚构类桥梁的结构稳定性问题，相关学者和工程技术人员进行了大量研究。文献［2-5］探讨了施工荷载、风荷载、温度荷载、几何非线性、材料非线性等因素对连续刚构（或连续梁）桥空心薄壁高墩稳定性的影响效应；文献［6-7］分析了在汽车荷载、制动力、日照温差、纵向风力等荷载作用下箱形空心墩的整体和局部稳定性；文献［8］研究了在现行铁路桥规的荷载组合作用下空心墩的局部稳定性；文献［9-12］分析了悬臂施工中施工工况和施工荷载对连续刚构桥高墩稳定性的影响；文献［13-14］讨论了连续刚构桥高墩稳定性对结构初始缺陷的敏感性；文献［15］研究了在施工及运营阶段线路曲率对高墩曲线刚构桥稳定性的影响；文献［16］探讨了双重非线性、初始缺陷、桥墩几何设计参数、基础刚度等对连续刚构桥稳定性的影响效应。这些研究取得了一系列有益成果，但鲜有考虑桥梁结构深水稳定性的研究。此外，综合这些研究成果可以发现，这类桥梁的整体或局部稳定性问题是其设计和施工中不可回避的关键问题之一。影响这类桥梁稳定性的因素除了结构自身的构造和刚度外，还与结构所承受的外荷载形式、荷载大小、结构非线性、初始缺陷、气候环境、水文地质条件、施工方法等多种因素有关。由于影响因素繁多，再加上这些影响因素之间的相互耦合作用，使得这类桥梁的稳定性问题至今尚未得到很好解决。

对于深水中的大跨度刚构连续梁类桥梁，随着水流深度及流速增加，深水效应对这类桥梁力学行为的影响将越来越突出。本文以某深水大跨度预应力钢筋混凝土刚构连续梁桥为背景，基于流固耦合理论，探讨深水效应对这类桥梁稳定性的影响。

1 工程背景

一座高速铁路预应力混凝土刚构连续梁双线特大桥（图1）全长593.5 m，跨径组合为（64 + 4 × 116 +64）m，位于直线上，与水流方向正交。常水位下深水区水深约50 m。采用悬臂浇筑法施工。

图1 高速铁路预应力混凝土刚构连续梁双线特大桥立面（单位：m）

主梁为单箱单室直腹板、变高度、变截面箱梁。顶板厚43.0～63.5 cm，腹板厚43～90 cm，底板厚43～90 cm。其中，腹板和顶板厚度按线性、局部向内侧加厚的方式变化；底板厚度按二次抛物线变化。箱梁顶板宽12.6 m，底板宽6.7 m。中支点截面中心处梁高8.5 m，跨中10 m 直线段及边跨11.75 m 直线段截面中心处梁高4.8 m。梁体混凝土强度为C55，纵向预应力筋采用15φ15.2钢绞线。

大桥采用圆端型和双肢薄壁型桥墩。其中，3#—5#墩为双肢薄壁型桥墩，位于深水区。深水区桩基承台距河床10 m，桩径为2 m。墩身最高的4#墩立面及基础构造见图2。其中，墩身顶端4 m范围内混凝土强度等级为C55，墩身其余部分及桩基的混凝土等级为C40。

图2 4#墩立面及基础构造（单位：m）

2 结构稳定性参数分析

大跨度预应力钢筋混凝土刚构连续梁桥一般采用悬臂浇筑法施工。相对于成桥状态和其他施工工况，当悬臂施工至最大双悬臂状态时，结构的稳定性最差［2-3］。因此，从实际应用考虑，本文以4#桥墩的最大双悬臂T 形刚构作为研究对象（以下简称为最不利T构）。

本文采用相对稳定指数作为分析各因素对结构稳定性影响效应的量化参数。相对稳定指数是指结构的第一类稳定系数与同项研究中所对应的结构最大稳定系数之比。

2.1 仿真分析基本模型

从流固耦合的角度，着重分析水流速度、流域水深以及桩基承台的相对标高等因素对最不利T构稳定性的影响效应。

借助于大型通用软件ANSYS Workbench 进行建模分析。流固耦合分析需要占用大量的计算机资源，基于在满足研究精度的前提下尽量减小计算机资源占用的原则，外部流域数字模型的平面尺寸按不小于水中构件同向尺寸5倍的大小取值［17］，分别为：顺流方向长度为150 m，横流方向宽度为90 m。外部流域高度按计算时采用的水深取值。外部流域和最不利T构的数值分析基本模型见图3。

图3 外部流域和最不利T构的数值分析基本模型

考虑到桥墩的实际变形较小，其变形对流体的扰动不大。因此，本文采用单向流固耦合模式进行数值仿真分析。其中，水流的物理模型采用标准k⁃epsilon（2 eqn）湍流模型。

2.2 流速与结构稳定性

流速是影响水流对结构冲击力的主要因素之一。为便于分析水流速度对最不利T 构稳定性的影响效应，以基本模型为基础，通过改变外部流域的入口流速来模拟桥位上游水流速度的变化，进而计算出不同流速下最不利T 构的相对稳定指数。计算中，水流方向按与桥面正交考虑（横桥向）；入口流速取1～6 m/s。计算荷载还包括挂篮、施工机具以及施工人员的重量等。

计算时桩基附近流速矢量图见图4。不同入口流速下水流对桥墩的作用力见图5。最不利T 构的相对稳定指数与入口流速之间的关系见图6。

图4 桩基附近流速矢量图（V=2 m·s-1）

图5 不同入口流速下水流对桥墩的作用力

图6 最不利T构的相对稳定指数与入口流速之间的关系

由图4—图6可见：①桥墩附近水流的流速变化明显。设计和施工中深水大跨度刚构连续梁桥的深水湍流效应不应忽略。②水流对最不利T构产生的横向作用力随流速增加而迅速增大，呈非线性关系，且以沿水流方向的作用力为主。③结构的相对稳定指数随流速增加呈指数曲线下降。当入口流速从1 m/s 增加至6 m/s 时，相对稳定指数下降了20.5%。可见，深水大跨度刚构连续梁桥的稳定性对水流速度是敏感的。施工中须给予重视。

2.3 水深与结构稳定性

流域水深也是影响流固耦合效应的主要因素。为便于考察水深对桥梁结构稳定性的影响效应，通过改变基本模型中外部流域的高度来模拟流水深度的变化。外部流域高度取10～50 m［18］，入口流速为5 m/s，水流方向按横桥向考虑，结构参数及施工荷载与背景工程相同。

最不利T构的相对稳定指数与流域水深之间的关系见图7。将图中曲线最高点所对应的流域深度称为临界水深。

图7 最不利T构的相对稳定指数与流域水深之间的关系

由图7可见：

①当流域水深小于临界水深时，最不利T 构的相对稳定指数随水深增加而增大，该状态下水深对刚构连续梁桥的稳定性有利。

②当水深大于临界水深后，最不利T 构的相对稳定指数随水深增加而迅速降低；当水深超过临界水深后，增大流域深度对深水大跨度刚构连续梁桥的稳定性不利。

③水深与最不利T 构的相对稳定指数间呈4 次函数曲线关系。当水深在10～50 m 时，结构的相对稳定指数的最大升幅为1.87%，最大降幅为1.61%。可见，深水大跨度刚构连续梁桥的稳定性对水深是不敏感的。

2.4 承台相对标高与结构稳定性

承台相对标高是指桩基承台相对于河床的高度。由于桩、承台以及墩身的几何形状及大小不同，使其与流体之间的流固耦合效应各不相同。再加上承台相对标高的不同造成的结构本身在几何构造上的差异，使得承台相对标高成为影响水流与最不利T 构之间流固耦合效应的主要因素之一。

为便于考察承台相对标高对最不利T构稳定性的影响效应，在本项数值仿真计算中，改变最不利T构中承台的竖向位置而保持深水大跨度刚构连续梁桥的梁底与河床之间的高度不变。

仿真分析采用的基本计算参数如下：承台相对标高取10～50 m，入口流速为5 m/s，水流方向按横桥向考虑。其余计算参数与基本模型相同。

依据仿真计算结果，采用数值拟合方法可以求得承台不同相对标高与最不利T构的相对稳定指数之间的关系曲线，见图8。图中曲线最高点所对应的承台相对标高称为承台临界标高。

图8 承台相对标高与相对稳定指数的关系

由图8 可见：①当承台相对标高小于其临界标高时，最不利T 构的相对稳定指数随承台相对标高增加而增大，增加承台相对标高对刚构连续梁桥的稳定性有利；②当承台相对标高大于其临界标高后，最不利T构的稳定指数随承台相对标高的增加而降低，继续增加承台相对标高对刚构连续梁桥的稳定性不利；③承台相对标高与最不利T 构的稳定指数呈Gauss 曲线关系；④当承台相对标高在10～50 m 变化时，最不利T构的相对稳定指数的最大升幅、最大降幅分别为39%、74%。可见，深水大跨度刚构连续梁桥的稳定性对承台相对标高是敏感的。