系梁对格构式桥墩稳定性影响的研究

张保山

摘要 基于有限元软件Midas Civil建立计算模型，研究了在最高裸墩以及最大悬臂状态下系梁位置以及数量对格构式高桥墩稳定性的影响。研究结果表明，桥墩截面形状以及尺寸不变的情况下，横系梁可以有效提高桥墩的稳定系数，当设置一组或者两组横系梁时，桥墩稳定系数提升效果最为明显，设置三组横系梁时，稳定系数增加缓慢。因此，格构式桥墩设置一组或者两组横系梁均可。

关键词 有限元;格构式桥墩;系梁;稳定性

中图分类号 TU392.3 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）03-0165-03

0 引言

随着我国桥梁事业的快速发展，中西部地区桥梁数量不断增多，由于西部地区地形破碎，沟壑纵横，桥梁建设时高墩大跨度的连续刚构桥被广泛应用。以往高墩大跨度桥梁一般采用双肢薄壁墩的桥墩形式，但是当桥墩为超高墩时，双肢薄壁墩不能满足刚度与抗震要求，可以采用安全性与经济性更为适宜的格构式桥墩[1]。为了满足整个格构式高墩的抗弯刚度要求，在墩柱之间增加横向连接系，合理布置横向连接系的位置以及数量非常重要[2-10]。该文基于某高墩大跨度连续刚构桥梁，进行横系梁对格构式高墩稳定性的影响研究。

1 工程背景

桥梁主桥为4×120 m预应力混凝土连续刚构桥，现浇箱梁采用C55混凝土;桥墩采用新型格构式桥墩，采用C40混凝土，系梁采用C40混凝土;墩台采用桩基础，采用C30混凝土。主梁为单箱单室结构，桥面宽12.6 m，桥墩中心线处箱梁高为7.5 m，跨中和端部高为3 m。其桥型布置如图1所示。

图1 桥型布置图（单位：mm）

2 有限元模型

使用有限元软件Midas Civil进行数值模拟模型的建立。由于结构自重在线性稳定性的研究中占有重要作用，因此该文进行自重作用下的稳定特征值分析，改变系梁的数量以及位置，保证桥墩的稳定特征值达到规范中的要求。最高裸墩与最大悬臂阶段的模型如图2和图3所示。

图2 最高裸墩模型图 图3 最大悬臂模型图

3 系梁对桥墩稳定性的影响

3.1 最高裸墩状态下稳定性分析

在最高裸墩状态下，分别对格构式高墩无横系梁、1组横系梁、2组横系梁、3组横系梁1阶模态下的稳定系数进行分析，模态图如图4～7所示。

3.2 最大悬臂状态稳定性分析

在最大悬臂状态下，分别对格构式高墩无横系梁、1组横系梁、2组横系梁、3组横系梁1阶模态下的稳定系数进行分析，模态图如图8～11所示。

（1）由图12及表1可知，在最高裸墩状态下，稳定性系数随着横系梁数量的增多不断增加，不设置横系梁时桥墩的稳定系数为3.39，小于规范要求的4，不能满足桥墩稳定性要求;当有一组横系梁时，桥墩稳定系数就达到了18.10，增加了4.34倍，满足规范要求，当有两组横系梁时，桥墩稳定系数为30.03，对比可得，设置两组横系梁时的稳定系数比设置一组横系梁时增加了66%;当有三组横系梁时，稳定系数为33.82，相较于两道横系梁时增加了12.6%。

（2）在最大悬臂状态下，随着横系梁数量的增加，稳定性系数增加速率较为平缓，不设置横系梁时，稳定系数为2.52，不能满足规范要求;设置一组横系梁时，稳定系数为6.85，增加了1.72倍，能够满足规范要求。当设置两组横系梁时，稳定系数为8.25，相较于设置一组横系梁时增加了20%;当有三组横系梁时，稳定系数为9.20，相较于两道横系梁时增加了11.5%。

由以上分析可知，当桥墩截面形式与尺寸不变的情况下，增加系梁的数量可以提高桥墩的稳定性，设置一组或者两组横系梁时桥墩稳定系数增加最为明显，设置三组横系梁时桥墩稳定系数增加较慢，对于格构式高墩而言，设置一组或者两组横系梁均可。

4 结论

通过有限元软件进行横系梁对格构式桥墩稳定性影响的分析，得出以下结论：

（1）增加横系梁，可以提高格构式桥墩在最高裸墩以及最大悬臂状态下的稳定性安全系数。

（2）最高裸墩与最大懸臂状态下，增加一组横系梁和两组横系梁时，稳定系数提升效果最为明显;增加三组横系梁时，稳定系数提升效果较为缓慢。

（3）对于格构式桥墩，设置一组或者两组横系梁均可有效提升桥墩稳定系数。

参考文献

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