高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋墩間穩(wěn)定性分析

高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋墩間穩(wěn)定性分析

我國(guó)橋梁建設(shè)歷史悠久，但隨著技術(shù)和工程計(jì)算理論的不斷發(fā)展，其規(guī)模大、施工技術(shù)成熟、施工方便、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)近年來(lái)在道路上得到了廣泛應(yīng)用。在西部山區(qū)連續(xù)剛構(gòu)橋也修建得較多,通常由于西部山區(qū)地形復(fù)雜,地勢(shì)較為陡峭,橋梁往往用于跨越深谷,因此使得連續(xù)剛構(gòu)橋的橋墩的高度較高,同時(shí)連續(xù)剛構(gòu)橋通常情況下采用薄壁墩,因而橋墩的剛度較小,使得橋墩的穩(wěn)定性問(wèn)題凸顯。本文采用有限元方法對(duì)某高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,得到了有價(jià)值的結(jié)果。1結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的數(shù)值計(jì)算結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是指當(dāng)結(jié)構(gòu)所受到的荷載在數(shù)值上達(dá)到一程度時(shí),結(jié)構(gòu)所處的平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性開(kāi)始喪失,稍有擾動(dòng),則結(jié)構(gòu)變形迅速增大,最后使得結(jié)構(gòu)遭到破壞。通常將結(jié)構(gòu)失穩(wěn)分為兩類(lèi)。第一類(lèi)失穩(wěn)為分支點(diǎn)失穩(wěn)(也稱(chēng)為屈曲失穩(wěn)),此時(shí)結(jié)構(gòu)原有的平衡狀態(tài)變得不穩(wěn)定,可能會(huì)出現(xiàn)新的平穩(wěn)狀態(tài)。比如軸心受壓的直桿失穩(wěn)就屬于第一類(lèi)失穩(wěn)。第二類(lèi)失穩(wěn)為極值點(diǎn)失穩(wěn),此時(shí)結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)不發(fā)生改變,但是其結(jié)構(gòu)變形增長(zhǎng)迅速,使得結(jié)構(gòu)破壞而喪失承載能力。比如偏心受壓桿失穩(wěn)就屬于第二類(lèi)失穩(wěn)。在實(shí)際中,工程結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)往往都是第二類(lèi)失穩(wěn)。但是,由于第一類(lèi)穩(wěn)定問(wèn)題的受力情況簡(jiǎn)單明確,數(shù)學(xué)上求特征值也比較容易,而且它的臨界荷載又能近似地代表第二類(lèi)穩(wěn)定臨界荷載的上限,所以研究第一類(lèi)穩(wěn)定問(wèn)題依然有著重要的工程意義。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步,有限元理論在計(jì)算結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,下面簡(jiǎn)要對(duì)有限元法求解結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行介紹。在穩(wěn)定性分析中結(jié)構(gòu)的變形與受載的關(guān)系為:[KD]{U}+[KG]{U}={F}(1)[ΚD]{U}+[ΚG]{U}={F}(1)其中,{F}{F}為作用在結(jié)構(gòu)上的外荷載向量的等效節(jié)點(diǎn)力;{U}{U}為結(jié)構(gòu)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移向量;[KD][ΚD]、[KG][ΚG]分別為結(jié)構(gòu)的彈性剛度矩陣及其幾何剛度矩陣。對(duì)于線性條件下的穩(wěn)定性分析而言,其實(shí)質(zhì)可以歸結(jié)為以下特征值問(wèn)題的求解。|K+λi[KG]|=0(2)|Κ+λi[ΚG]|=0(2)其中,λi為特征值,由特征值分析我們可以知道其在理論上存在n個(gè)不同的特征值,然后在工程實(shí)際中,只要達(dá)到了最小特征值時(shí)結(jié)構(gòu)就發(fā)生,因此通常我們只取最小的特征值。2高單元穩(wěn)定性分析2.1預(yù)應(yīng)力混凝土t梁結(jié)構(gòu)本文所做研究以某高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)橐劳?。該大橋全長(zhǎng)為640m,其中主橋?yàn)樽兘孛孢B續(xù)剛構(gòu)橋,其橋跨布置為60m+2×110m+60m。北岸引橋?yàn)?跨30m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁,南岸引橋?yàn)?跨30m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁。主橋的上部結(jié)構(gòu)為變截面箱梁形式,箱梁截面為單箱單室截面,箱梁高度隨著橋跨位置按2次拋物線變化,其中主橋跨中位置的箱梁梁高為2.5m,主橋根部位置的箱梁梁高為6.6m,箱梁頂板寬為12m,底板寬為7m。在主橋中跨根部位置設(shè)置兩道橫隔板,厚度均為1.2m,在主橋中跨跨中設(shè)一道厚0.4m的橫隔板。主橋橋墩采用變截面薄壁墩,橋梁下部結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。該大橋主橋主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),其混凝土材料采用C50混凝土,其三向預(yù)應(yīng)力體系采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1860MPa的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線,而橋墩均采用C40混凝土。大橋的設(shè)計(jì)荷載為公路I級(jí),其橋跨布置圖如圖1所示。2.2橋結(jié)構(gòu)離散設(shè)計(jì)本橋的有限元模型選用大型有限元計(jì)算軟件MIDAS/CIVIL建立。在建立大橋的有限元模型時(shí),首先對(duì)大橋結(jié)構(gòu)根據(jù)施工階段進(jìn)行離散確定單元和節(jié)點(diǎn),大橋的主梁和橋墩均采用空間梁?jiǎn)卧M,大橋的約束條件根據(jù)設(shè)計(jì)在主墩墩底采用固定支座,而在主梁的邊跨梁端采用活動(dòng)支座約束。經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)離散后全橋共計(jì)165個(gè)單元,均為梁?jiǎn)卧?其中主梁的變截面形式通過(guò)MIDAS/CIVIL的變截面組實(shí)現(xiàn)。主橋的有限元模型見(jiàn)圖2所示。2.3高墩荷載工況下面根據(jù)上面建立的有限元模型對(duì)成橋階段高墩的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問(wèn)題實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)特征值問(wèn)題。通常采用有限元法對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,這個(gè)過(guò)程通常為以下的步驟:(1)輸入結(jié)構(gòu)的分析模型;(2)構(gòu)成總體剛度矩陣和屈曲分析所需要的荷載矩陣;(3)構(gòu)成整體幾何矩陣;(4)分析構(gòu)成各單元的幾何剛度矩陣;(5)應(yīng)用總體剛度矩陣和整體幾何剛度進(jìn)行特征值分析。對(duì)于本大橋的高墩穩(wěn)定性分析,分別計(jì)算了高墩在三個(gè)荷載工況作用下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,這三個(gè)計(jì)算荷載工況分別為:荷載工況一:考慮結(jié)構(gòu)在自重作用下的穩(wěn)定性;荷載工況二:在考慮結(jié)構(gòu)在自重作用的同時(shí)也考慮了橫橋向的風(fēng)荷載的作用下的高墩穩(wěn)定性;荷載工況三:在考慮結(jié)構(gòu)在自重作用的同時(shí)也考慮了順橋向的風(fēng)荷載作用的高墩穩(wěn)定性。由于在穩(wěn)定性分析中考慮了風(fēng)荷載作用,這里首先要確定在計(jì)算中作用在高墩上的風(fēng)荷載,這里僅僅考慮靜風(fēng)力作用,而不考慮脈動(dòng)風(fēng)引起的抖振力和結(jié)構(gòu)的自激力。橋墩風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值可以根據(jù)JTGD60-2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》求得。根據(jù)該橋梁所處的地理位置,地形條件,可以求得風(fēng)的順橋向墩頂靜風(fēng)荷載集度為:qwx1=7.49kN/m;順橋向墩底風(fēng)荷載集度為:qwx2=6.47kN/m。風(fēng)的橫橋向墩頂風(fēng)荷載靜力荷載集度為:qwy1=9.49kN/m;橫橋向墩底風(fēng)荷載集度為:qwy2=6.68kN/m。根據(jù)上面得到的靜風(fēng)荷載和有限元計(jì)算模型計(jì)算得到了高墩分別在三種荷載工況作用下的屈曲模態(tài)及穩(wěn)定系數(shù)的結(jié)果,由于篇幅原因這里僅僅給出了前三階的屈曲模態(tài)結(jié)果和荷載工況一作用下結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)圖,其具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1和圖3。由表1我們可以知道,在三種荷載工況作用下高墩的穩(wěn)定性均滿足設(shè)計(jì)要求,前三階屈曲模態(tài)一致,同時(shí)其第一階失穩(wěn)模態(tài)均為橋墩沿順橋向方向失穩(wěn)。風(fēng)荷載作用使得高墩的穩(wěn)定性有所減弱。同時(shí)橫橋向風(fēng)荷載對(duì)高墩穩(wěn)定性的影響較順橋向風(fēng)荷載稍大。3種荷載工況下失穩(wěn)結(jié)果分析本文采用有限元方法對(duì)某高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋高墩的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析