七古寺大桥高墩施工力学性能分析

七古寺大桥高墩施工力学性能分析

田泽垠，魏春明

田泽垠，魏春明（河南省新开元路桥工程咨询有限公司河南郑州450016）

【摘要】以七古寺大桥主桥为研究对象，采用MIDAS/Civil有限元程序，建立桥梁整个施工过程的空间有限元计算模型，考虑施工中结构的自重、预应力、施工荷载和二期恒载，对高墩进行静力、动力和稳定性分析。计算结果表明，施工中高墩的位移和应力很小，结构具有较大的应力安全储备；每个施工阶段结构的第1阶振动均为高墩的顺桥向振动，最大悬臂阶段结构的基本周期较大，为4.296s，顺桥向刚度较小；每个施工阶段结构的稳定安全系数均较大，最小值为18.321，大于规范的限值5，施工中结构不易发生失稳破坏。

【关键词】桥梁工程；高墩；静力分析；动力分析；稳定性分析

HighPier'sMechanicsPropertyAnalysisonConstructionStageforQi-GusiBridge

TianZe-yin,WeiChun-ming

(NewCenturyRoadandBridgeEngineeringConsultCo.LtdZhengzhouHenan450016)

【Abstract】Inthispaper,a3-dimensionalfiniteelementcalculatingmodelisestablishedforthemainbridgeofQi-GusibridgeontheconstructionstagebyusingsoftwareMIDAS/Civil.Bytakingintoaccountitsselfweight,theprestressofmaingirder,constructionloadsandtwoissuedeadloads，highpier'sstatic,dynamicandstabilizationcharacteristicsareanalysed.Thecalculatedresultsindicatethatthedisplacementandthestressofhighpierarenotobviousinbridgeconstruction.Thestructurehasabundantstressstorageforsafety.Oneachconstructionstagethefirstvibrationmodeislongitudinalvibrationofhighpier.Thebasiccycliconmaximalcantileverconstructionstageis4.296swhichisfairlylongandindicatesthathighpier'slongitudinalrigidityisweak.Moreover,stabilizationsafetycoefficientsofthebridgearecomputedforeachconstructionstage.Theminimumis18.321andisprettylargerthanthelimitedvalue5accordingtobridgecode.Asaresult,itisnoteasyforthestructuretobedestroyedbylosingstabilizationinbridgeconstruction.

【Keywords】Bridgeengineering;Highpier;Staticanalysis;Dynamicanalysis;Stabilizationanalysis

1.引言大跨径连续刚构桥是山区桥梁的常用结构形式，由于它具有优越的结构性能、良好的经济指标，越来越显示出巨大的发展潜力。七古寺大桥主桥是一座大跨径预应力混凝土连续刚构桥，位于新晋（新乡至晋城）高速公路里程桩号K72+065附近，为主线桥梁，是确保该路段交通畅通的关键工程之一。由于桥墩很高，施工环境险恶，施工中遇到的问题很多，为了确保该桥梁建造安全，质量满足要求，设计时对高墩的施工力学性能进行了详尽的计算与分析。图1桥型布置图七古寺大桥主桥全长200m，跨径组成为（55+90+55）m，半幅桥宽12.5m，中间两个桥墩高95m，中墩与主梁现浇连成一体，边墩顶部设置支座支承主梁。主梁采用变截面箱梁，C50混凝土，中墩处梁高6m，中跨跨中部位和边墩处梁高2.5m，箱梁顶宽12.5m，箱梁底宽6m，腹板竖置，箱梁纵向布置预应力钢束。中墩采用箱形截面，C50混凝土，截面尺寸为6x6m，壁厚0.9m，边墩采用箱形截面，C40混凝土，桥墩沿竖向每隔20m设置一道横隔板。施工时，桥墩采用滑模法分节段施工，主梁采用挂篮悬臂浇注，合拢段施工时先合拢边跨，再合拢中跨。

2.桥梁有限元建模本文采用有限元程序MIDAS/Civil对七古寺大桥主桥进行结构计算，建立桥梁施工全过程的有限元计算模型。该桥梁由主梁、中墩、边墩和承台组成，在MIDAS/Civil有限元建模中，主梁采用变截面梁单元进行模拟，中墩、边墩和承台采用等截面梁单元进行模拟，承台底部固结，中墩顶部与主梁之间采用刚臂连接，边墩顶部与主梁之间采用主从约束，约束主梁的竖向和横桥向位移。全桥共计划分216个节点，211个单元，其中裸墩施工阶段、最大悬臂阶段和成桥阶段的有限元计算模型

3.高墩静力分析本文考虑结构自重、预应力、施工荷载和二期恒载，计算出高墩在施工过程中的受力和变形，包括每个施工阶段高墩顶部截面的竖向位移、顶部截面的应力和底部截面的应力，其中裸墩施工阶段、最大悬臂阶段和成桥阶段的计算结果如下表1所示。表中位移为正表示向上，位移为负表示向下；应力为正表示受拉，应力为负表示受压。图3桥梁有限元计算模型根据计算结果可知，施工中墩顶的竖向位移很小，最大值为-8.57mm；墩顶和墩底全截面受压，且截面的压应力较小，最大值为-3.98MPa，小于《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》规定的限值18.14MPa，结构具有较大的应力安全储备。

4.动力分析桥梁动力分析的目的是保证结构在整个施工营运期间，在可能发生的动力荷载（如车辆动荷载、风力和地震等）作用下能够正常工作，确保桥梁的安全性和可靠性［1-3］。本文采用子空间迭代法，对七古寺大桥的裸墩施工阶段、最大悬臂阶段和成桥阶段进行自振特性分析，计算出每个施工阶段的前3阶自振频率、周期和振型

5.稳定性分析大跨径连续刚构桥的桥墩一般很高，施工过程中承受很大的轴向压力，为了避免结构发生失稳破坏，必须对结构进行施工稳定性分析［4-6］。本文采用MIDAS/Civil软件，对七古寺大桥进行稳定性分析，计算出裸墩施工阶段、最大悬臂阶段和成桥阶段的前3阶失稳模态以及对应的稳定安全系数

施工中桥梁每个施工阶段的第1阶失稳特征，均为高墩的1阶顺桥向失稳，且稳定安全系数较大，最小值为18.321，大于规范的限值5，满足设计要求。

6.结论通过对七古寺大桥主桥进行施工力学性能分析，得出以下结论：

（1）施工中高墩的位移和应力很小，结构具有较大的应力安全储备。

（2）每个施工阶段结构的第1阶振动均为高墩的顺桥向振动，最大悬臂阶段结构的基本周期最大，值为4.296s，结构的顺桥向刚度很小。

（3）每个施工阶段结构的第1阶失稳特征，均为高墩的1阶顺桥向失稳，且稳定安全系数较大，最小值为18.321，大于规范的限值5，施工中结构不易发生失稳破坏。

参考文献

［1］李国豪.桥梁结构稳定与振动［M］.北京：中国铁道出版社，1996：15～16.

［2］王淳.高墩大跨连续刚构桥动静力计算与稳定性研究［D］.武汉理工大学硕士学位论文，2006.

［3］陈淮，朱倩，葛素娟，申哲会.韩江北桥主桥动力特性研究［J］．铁道科学与工程学报，2005，2（5）：28～31．

［4］郭梅.高墩大跨连续刚构桥稳定性分析［J］.西安公路交通大学学报，1999，19（3）：31～36．

［5］李开言.双肢薄壁高墩刚构桥悬臂施工稳定性与风效应研究［D］.中南大学博士学位论文，2005.

［文章编号］1006-7619（2009）04-14-246