某公路桥梁高墩稳定性计算.docx
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某公路桥梁高墩稳定性计算
***大桥高墩计算分析报告
一、工程概况
本桥平面位于直线上,桥面横坡为双向2%,纵断面纵坡1.6%。
原桥设计左幅中心桩号为K64+375.850,共2联(3-40)+(3-40)m;右幅中心桩号为K64+355.650,共2联(3-40)+(4-40)m。
上部结构采用预应力砼(后)T梁,先简支后连续。
下部结构0、6(左幅)、7(右幅)号桥台采用U台接桩基,0(右幅)号桥台采用U台接扩大基础,2、3、4(左幅)、3、4、5(右幅)号桥墩采用空心墩接桩基,其余桥墩采用柱式墩接桩基础。
由于施工过程中,施工单位将2、3、4(左幅)、3、4、5(右幅)号桥墩改为圆柱墩接桩基础,且桩基础已于2011年5月终孔。
本次对其高墩进行计算分析。
主要分析结论:
1、墩顶纵桥向有约束时,失稳安全系数γ=10.91,墩身稳定性安全。
2、墩顶纵桥向无约束时,失稳安全系数γ=4.29,安全系数偏小。
本次分析报告提出以下两个方案:
方案一:
将现有变更D=2.3m圆柱式墩改为2.3*2.3m方柱式墩,以桩帽相接,失稳安全系数γ=6.97,安全性得到提高。
方案二:
对本桥进行重新分联,左幅分为三联:
40+(4*40)+40m,右幅分为三联:
2*40+(4*40)+40m,将高墩全部固结,以达到稳定性要求。
从安全性方面考虑,本次分析推荐方案二。
3、施工阶段、使用阶段桥梁墩柱结构验算安全。
4、施工阶段裸墩状态受到顺桥向风荷载对墩身最不利。
建议在施工过程中对墩顶施加水平方向的约束(具体的操作措施可在墩顶设置浪风索,防止墩身在风荷载作用下发生过大的位移)保证墩身的结构安全。
5、根据原桥桥型图3号墩中风化板岩顶部高程236.12,而设计变更文件左幅3号墩墩底高程235.2,左幅4号墩墩底高程237.5,右幅5号墩墩底高程238等,设计为嵌岩桩,请注意桩底高程的控制。
6、本次分析墩身砼按C40考虑,请注意修改相关变更图纸。
以下将对本桥高墩稳定以及结构安全性做详细分析:
二、高墩屈曲安全性分析
原桥设计左幅中心桩号为K64+375.850,共2联(3-40)+(3-40)m,上部结构采用预应力砼(后)T梁,先简支后连续。
图1、**大桥左幅立面
本桥原桥左幅2,3,4号桥墩为薄壁墩,根据变更文件2,4号墩实测墩高分别为46.1m和44.8m且与下构固结,3号墩为过度墩墩高45.9m,非固结。
图2、**大桥右幅立面
本桥原桥右幅中心桩号为K64+355.650,共2联(3-40)+(4-40)m。
上部结构采用预应力砼(后)T梁,先简支后连续,其中3,4,5号桥墩为薄壁墩,根据变更文件4,5号墩实测墩高分别为45.9m和44.3m且与下构固结,3号墩为过度墩墩高45.8m,非固结。
本次计算先按原薄壁墩变更为直径D=2.3m圆柱墩,分别对最高固结墩左幅2号墩(46.1m)和最高非固结墩左幅3号(45.9m)墩按实测墩高进行计算,在midas里面建立空间杆系模型进行屈曲稳定性分析获得临界集中力,按两种不同的约束条件(墩顶在纵桥向有约束和无约束)分别进行分析(由于变更图纸中出现墩柱两种混凝土型式C30,C40,为偏安全设计本次分析按C40考虑)。
图3、圆柱有限元模型
1、左幅2号墩顶在纵桥向有约束、墩身砼采用C40砼,墩高46.1m:
A墩顶恒载:
双孔梁自重:
P1=8603.2KN
帽梁自重:
P2=1039.2KN
桥面二期荷载:
P3=1053.6KN
墩顶恒载:
P4=8603.2+1039.2+1053.6=10696
B墩顶活载:
(根据本次设计的部颁T梁上构通用图说明)
P5=3637KN
墩顶纵向约束考虑约束转动,不约束纵向位移。
C40墩顶有约束Midas计算结果
项目
第一失稳模态
第二失稳模态
第三失稳模态
墩顶横载(kN)
10696
10696
10696
墩顶活载(KN)
3637
3637
3637
计算结果
43.00
171.5
285.7
换算为墩顶荷载(kN)
156373
623772.2
1039142.5
失稳模态动态文件名
有约束1.avi
有约束2.avi
有约束3.avi
结果描述(动态模型详见midas相关失稳模态动态附件):
根据计算显示:
第二、三阶失稳临界力均比第一阶大。
根据以上分析及帽梁计算的结果,40mT梁上构自重及汽车作用到墩帽顶的荷载为P=14333kN;出现第一阶失稳的安全系数为γ=156373/14333=10.91。
计算结果显示墩身稳定性较为安全。
2、3号墩顶在纵桥向无约束、墩身砼采用C40砼,墩高45.9m
A墩顶恒载:
双孔梁自重:
P1=7121.2KN
帽梁自重:
P2=1039.2KN
桥面二期荷载:
P3=1053.6KN
墩顶恒载:
P4=8603.2+1039.2+1053.6=9214KN
B墩顶活载:
(根据本次设计的部颁T梁上构通用图说明)
P5=4688KN
C40墩顶无约束Midas计算结果
项目
第一失稳模态
第二失稳模态
第三失稳模态
墩顶横载(kN)
9214
9214
9214
墩顶活载(KN)
4688
4688
4688
计算结果
12.7
102.3
241.7
换算为墩顶荷载(kN)
59639.6
479896.0
1133152.0
失稳模态动画文件名
无约束_1.avi
无约束_2.avi
无约束_3.avi
结果描述(动态模型详见midas相关失稳模态动态附件):
根据计算显示:
第一阶的临界荷载仅为第二阶临界荷载的0.13倍。
这里按第一阶临界荷载验算墩身稳定性。
根据以上分析及帽梁计算的结果,40mT梁上构自重及汽车作用到墩帽顶的荷载为P=13902kN;出现第一阶失稳的安全系数为γ=59639.6/13902=4.29。
失稳时墩顶发生纵桥向位移达1.0m。
此模型为墩顶无纵桥向约束,适用于过渡墩设滑板式支座处(左右幅均为3号桥墩)。
由于此模型安全系数较小,本次分析做如下建议:
方案一:
将现有变更2.3m圆柱式墩型式改为2.3*2.3m方柱式墩。
方案二:
对本桥进行重新分联,左幅分为三联:
40+(4*40)+40m,其中第一联和第三联上构均为简支T梁,第二联为先简支后连续T梁;右幅分为三联:
2*40+(4*40)+40m,中第一联和第三联上构均为简支T梁,第二联为先简支后连续T梁,以达到稳定性要求。
由于按方案二重新分联后所有高墩均为固结,按墩顶有纵向约束安全系数来看,所有高墩(含左幅2,3,4和右幅3,4,5号桥墩)稳定性均较为安全。
故以下仅对本次建议方案二进行分析论证,既3号墩变更为2.3*2.3m方柱式墩屈曲稳定安全性进行分析
3、将3号墩改为方墩2.3m×2.3m计算其屈曲稳定
图4、方柱有限元模型
方柱墩顶无约束Midas计算结果
项目
第一失稳模态
第二失稳模态
第三失稳模态
墩顶横载(kN)
9214
9214
9214
墩顶活载(KN)
4688
4688
4688
计算结果
20.67
163.3
289.3
换算为墩顶荷载(kN)
96896.9
765722.16
1356418.1
失稳模态动画文件名
无约束_1.avi
无约束_2.avi
无约束_3.avi
结果描述(动态模型详见midas相关失稳模态动态附件):
根据计算显示:
第一阶的临界荷载仅为第二阶临界荷载的0.12倍。
这里按第一阶临界荷载验算墩身稳定性。
根据以上分析及帽梁计算的结果,40mT梁上构自重及汽车作用到墩帽顶的荷载为P=13902kN;出现第一阶失稳的安全系数为γ=96896.9/13902=6.97。
计算结果显示墩身稳定性较为安全。
从安全性角度考虑,本次设计推荐方案二,对本桥进行重新分联。
三、对结构安全性进行验算(按2.3m×2.3m方墩、D=2.3m圆柱墩分别验算)
1、按施工阶段最不利组合验算墩身结构安全性
按施工阶段考虑最不利情况为架桥机过孔将要结束时。
此时单孔T梁已经架设完成、架桥机的自重作用在梁端墩顶处;作用荷载为单孔T梁自重的一半、架桥机全部自重,两者之和。
偏心矩为临时支座(或滑板支座)距墩中心线的距离。
荷载:
A:
T梁自重3406KN,e=0.65m,考虑施工偏差5cm,e=0.70m。
N=3406KN,M=3406*0.7=2384.2kn.m
B:
架桥机荷载:
中心支点89t,距桥墩中心1.5m(通过临时支撑传递到帽梁上),
N=890KN,M=890*0.7=623kn.m
C:
桥墩+帽梁自重:
N=2*2.3*2.3*46*26+1039=13692.7KN,M=0
D:
风载:
F=208.19KN,M=208.19*46/2=5412.9kn.m
合计:
N=3406+890+13692.7=17988.68KN
M=2384.2+623+5412.9=8420.1kn.m
E0=M/N=0.468m
L0=46.2*2=92.4(考虑墩底固结,墩顶自由)
按偏压构件计算配筋,68φ3213.5满足规要求。
裂缝计算按照JTGD60-2004第6.4.3条:
裂缝宽度:
0.076mm
根据以上的分析结果可知桥墩在施工阶段安全可靠。
同理计算D=2.3m圆柱墩按70φ32配筋满足规要求,裂缝宽度:
0.069mm。
2、按使用阶段最不利组合验算墩身结构安全性
①、桥墩集成刚度计算假定
1、一联桥中,仅计算桥墩的受力,不考虑过渡墩与桥台的受力。
2、偏安全考虑,汽车制动力的分配按照三个中墩的集成刚度分配。
3、主梁的收缩徐变折成降温计算,降温温度取30℃。
4、为取得最大水平力,温度变化须与收缩徐变变化一致,升温不控制设计,升温水平力不做计算。
故由温度变化引起的水平力,仅考虑降温引起,降温温度取25℃。
6、4,5,6号桥墩为固结墩。
②、桥墩集成刚度计算
1、桥墩几何参数计算
桥墩几何参数
位置
边长或直径
墩高
面积A
墩惯矩
m
m
m
m4
4#墩
2.3
46.2
10.58
2.33
5#墩
2.3
46.2
10.58
2.33
6#墩
1.8
21
5.1
0.7
2、桥墩抗推刚度计算
按照规计算抗推刚度时,混凝土的抗弯弹性模量取抗压弹性模量的0.8倍,桥墩抗推刚度按照下式计算,即:
其中:
E-混凝土弹性模量,C30混凝土,E=3×104MPa;
H-桥墩高度
桥墩抗推刚度
位置
抗推刚度
KN/m
4#墩
1594.1
5#墩
1594,1
6#墩
2616.4
3、桥墩集成刚度计算
桥墩与支座串联,桥墩的集成刚度按照下式计算,即:
由于4,5,6号墩均为固结,本次设计集成刚度按桥墩刚度考虑。
③、桥墩墩顶水平力计算
1、一联桥梁变形零点计算
变形零点按照下式计算,即:
其中:
C—收缩系数,计算中按照混凝土收缩+徐变+降温取55℃,C=1E-5×55=0.00055;
-桥墩抗推刚度与桥墩距桥台距离的乘积;
-桥台摩擦系数与上部结构竖直反力的乘积,如为滑板支座,取0。
由以上参数可计算得到:
X=85.96m
2、收缩徐变、降温产生的水平力
水平力按照下式计算,即:
其中:
C—收缩系数;
Δt—收缩徐变或降温的温度差;
ΔX—桥墩距离变形零点的距离;
Ki—桥墩抗推刚度。
收缩徐变、降温产生的水平力
位置
收缩徐变
降温
4#墩
19.4
16.167
5#墩
2.51
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