某公路橋梁高墩穩(wěn)定性計算

1、* 大橋高墩計算分析報告 一、工程概況 本橋平面位于直線上，橋面橫坡為雙向 2%，縱斷面縱坡 1.6%。原橋設計左幅中 心樁號為K64+375.850,共2聯(lián)（3-40）+（3-40）m;右幅中心樁號為 K64+355.650,共 2聯(lián)（3-40）+（4-40）m 。上部結構采用預應力砼（后張）T梁，先簡支后連續(xù)。下部結構 0、6（左幅）、7（右幅）號橋臺米用U臺接樁基，0 （右幅）號橋臺米用U臺接擴大基礎， 2、3、 4（左幅）、 3、 4、 5（右幅）號橋墩采用空心墩接樁基,其余橋墩采用柱式墩接樁 基礎。 由于施工過程中，施工單位將 2、 3、 4（左幅）、 3、 4、 5（右幅）號橋墩改

2、為圓柱 墩接樁基礎，且樁基礎已于 2011年 5月終孔。本次對其高墩進行計算分析。 主要分析結論： 1、墩頂縱橋向有約束時，失穩(wěn)安全系數(shù) 丫 =10.91，墩身穩(wěn)定性安全。 2、 墩頂縱橋向無約束時，失穩(wěn)安全系數(shù)丫 =4.29，安全系數(shù)偏小。本次分析報 告提出以下兩個方案： 方案一：將現(xiàn)有變更 D=2.3m圓柱式墩改為2.3*2.3m方柱式墩，以樁帽相接， 失穩(wěn)安全系數(shù)丫 =6.97，安全性得到提高。 方案二：對本橋進行重新分聯(lián)，左幅分為三聯(lián)：40+（ 4*40） +40m右幅分為三 聯(lián)：2*40+ （4*40） +40m，將高墩全部固結，以達到穩(wěn)定性要求。 從安全性方面考慮，本次分析推薦方案

3、二。 3、施工階段、使用階段橋梁墩柱結構驗算安全。 4、施工階段裸墩狀態(tài)受到順橋向風荷載對墩身最不利。建議在施工過程中對墩 頂施加水平方向的約束 （具體的操作措施可在墩頂設置浪風索，防止墩身在風荷載作 用下發(fā)生過大的位移 ）保證墩身的結構安全。 5、根據(jù)原橋橋型圖 3 號墩中風化板巖頂部高程 236.12，而設計變更文件左幅 3 號墩墩底高程 235.2，左幅 4號墩墩底高程 237.5，右幅 5號墩墩底高程 238等，設 計為嵌巖樁，請注意樁底高程的控制。 6、本次分析墩身砼按C40考慮，請注意修改相關變更圖紙。 以下將對本橋高墩穩(wěn)定以及結構安全性做詳細分析： 二、高墩屈曲安全性分析 原橋設

4、計左幅中心樁號為 K64+375.850,共2聯(lián)（3-40）+（3-40）m ，上部結構采 用預應力砼（后張）T梁，先簡支后連續(xù)。 圖1、*大橋左幅立面 本橋原橋左幅2,3,4號橋墩為薄壁墩，根據(jù)變更文件2,4號墩實測墩高分別為 46.1m和44.8m且與下構固結，3號墩為過度墩墩高45.9m,非固結。 圖2、*大橋右幅立面 本橋原橋右幅中心樁號為 K64+355.650,共2聯(lián)（3-40）+（4-40）m 。上部結構采用 預應力砼（后張）T梁，先簡支后連續(xù)，其中3,4，5號橋墩為薄壁墩，根據(jù)變更文件 4,5號墩實測墩高分別為45.9m和44.3m且與下構固結，3號墩為過度墩墩高45.8m,

5、非固結。 本次計算先按原薄壁墩變更為直徑 D=2.3m圓柱墩，分別對最高固結墩左幅 2號 墩（46.1m）和最高非固結墩左幅 3號（45.9m）墩按實測墩高進行計算，在 midas 里面建立空間桿系模型進行屈曲穩(wěn)定性分析獲得臨界集中力，按兩種不同的約束條件 （墩頂在縱橋向有約束和無約束）分別進行分析（由于變更圖紙中出現(xiàn)墩柱兩種混凝 土型式C30, C40,為偏安全設計本次分析按 C40考慮） 圖3、圓柱有限元模型 1、左幅2號墩頂在縱橋向有約束、墩身砼采用 C40砼，墩高46.1m： A墩頂恒載： 雙孔梁自重：P仁8603.2KN 帽梁自重：P2=1039.2KN 橋面二期荷載：P3=1053

6、.6KN 墩頂恒載：P4=8603.2+1039.2+1053.6=10696 B墩頂活載：（根據(jù)本次設計的部頒T梁上構通用圖說明） P5=3637KN 墩頂縱向約束考慮約束轉動，不約束縱向位移 C40墩頂有約束Midas計算結果 項目 第一失穩(wěn)模態(tài) 第二失穩(wěn)模態(tài) 第三失穩(wěn)模態(tài) 墩頂橫載（kN） 10696 10696 10696 墩頂活載（KN） 3637 3637 3637 計算結果 43.00 171.5 285.7 換算為墩頂荷載（kN） 156373 623772.2 1039142.5 失穩(wěn)模態(tài)動態(tài)文件名 有約束1.avi 有約束2.avi 有約束3.avi 結果描述（動態(tài)模型詳見

7、midas相關失穩(wěn)模態(tài)動態(tài)附件）： 根據(jù)計算顯示：第二、三階失穩(wěn)臨界力均比第一階大。 根據(jù)以上分析及帽梁計算的結果，40mT梁上構自重及汽車作用到墩帽頂?shù)暮奢d 為P=14333kN出現(xiàn)第一階失穩(wěn)的安全系數(shù)為 丫 =156373/14333=10.91。計算結果顯 示墩身穩(wěn)定性較為安全。 2、3號墩頂在縱橋向無約束、墩身砼采用C40砼，墩高45.9m A墩頂恒載： 雙孔梁自重：P仁7121.2KN 帽梁自重：P2=1039.2KN 橋面二期荷載：P3=1053.6KN 墩頂恒載：P4=8603.2+1039.2+1053.6=9214KN B墩頂活載：(根據(jù)本次設計的部頒T梁上構通用圖說明) P

8、5=4688KN C40墩頂無約束Midas計算結果 項目 第一失穩(wěn)模態(tài) 第一失穩(wěn)模態(tài) 第三失穩(wěn)模態(tài) 墩頂橫載(kN) 9214 9214 9214 墩頂活載(KN) 4688 4688 4688 計算結果 12.7 102.3 241.7 換算為墩頂荷載(kN) 59639.6 479896.0 1133152.0 失穩(wěn)模態(tài)動畫文件名 無約束_1.avi 無約束_2.avi 無約束_3.avi 結果描述(動態(tài)模型詳見midas相關失穩(wěn)模態(tài)動態(tài)附件)： 根據(jù)計算顯示：第一階的臨界荷載僅為第二階臨界荷載的0.13倍。這里按第一 階臨界荷載驗算墩身穩(wěn)定性。 根據(jù)以上分析及帽梁計算的結果，40mT梁

9、上構自重及汽車作用到墩帽頂?shù)暮奢d 為P=13902kN出現(xiàn)第一階失穩(wěn)的安全系數(shù)為 丫 =59639.6/13902=4.29。失穩(wěn)時墩頂 發(fā)生縱橋向位移達1.0m。 此模型為墩頂無縱橋向約束，適用于過渡墩設滑板式支座處(左右幅均為3號橋 墩)。由于此模型安全系數(shù)較小，本次分析做如下建議： 方案一：將現(xiàn)有變更2.3m圓柱式墩型式改為2.3*2.3m方柱式墩。 方案二：對本橋進行重新分聯(lián)，左幅分為三聯(lián)：40+( 4*40) +40m其中第一聯(lián) 和第三聯(lián)上構均為簡支T梁，第二聯(lián)為先簡支后連續(xù)T梁；右幅分為三聯(lián)：2*40+ (4*40) +40m中第一聯(lián)和第三聯(lián)上構均為簡支 T梁，第二聯(lián)為先簡支后連續(xù)

10、T 梁，以達到穩(wěn)定性要求。 由于按方案二重新分聯(lián)后所有高墩均為固結，按墩頂有縱向約束安全系數(shù)來看， 所有高墩（含左幅2,3,4和右幅3,4,5號橋墩）穩(wěn)定性均較為安全。故以下僅對本次 建議方案二進行分析論證，既3號墩變更為2.3*2.3m方柱式墩屈曲穩(wěn)定安全性進行 分析 3、將3號墩改為方墩2.3mx 2.3m計算其屈曲穩(wěn)定 圖4、方柱有限元模型 方柱墩頂無約束Midas計算結果 項目 第一失穩(wěn)模態(tài) 第一失穩(wěn)模態(tài) 第一失穩(wěn)模態(tài) 墩頂橫載（kN） 9214 9214 9214 墩頂活載（KN） 4688 4688 4688 計算結果 20.67 163.3 289.3 換算為墩頂荷載（kN） 9

11、6896.9 765722.16 1356418.1 失穩(wěn)模態(tài)動畫文件名 無約束_1.avi 無約束_2.avi 無約束_3.avi 結果描述（動態(tài)模型詳見midas相關失穩(wěn)模態(tài)動態(tài)附件）： 根據(jù)計算顯示：第一階的臨界荷載僅為第二階臨界荷載的0.12倍。這里按第一 階臨界荷載驗算墩身穩(wěn)定性。 根據(jù)以上分析及帽梁計算的結果，40mT梁上構自重及汽車作用到墩帽頂?shù)暮奢d 為P=13902kN出現(xiàn)第一階失穩(wěn)的安全系數(shù)為 丫 =96896.9/13902=6.97。計算結果顯 示墩身穩(wěn)定性較為安全。 從安全性角度考慮，本次設計推薦方案二，對本橋進行重新分聯(lián)。 三、對結構安全性進行驗算 （按2.3mx 2

12、.3m方墩、D=2.3m圓柱墩分別驗算） 1、按施工階段最不利組合驗算墩身結構安全性 按施工階段考慮最不利情況為架橋機過孔將要結束時。此時單孔T梁已經(jīng)架設完 成、架橋機的自重作用在梁端墩頂處； 作用荷載為單孔T梁自重的一半、架橋機全部 自重，兩者之和。偏心矩為臨時支座（或滑板支座）距墩中心線的距離。 荷載：A: T梁自重 3406KN,e=0.65m 考慮施工偏差 5cm, e=0.70m。N=3406KN M=3406*0.7=2384.2k n.m B：架橋機荷載：中心支點89t，距橋墩中心1.5m （通過臨時支撐傳遞到帽梁上）： N=890KN M=890*0.7=623 kn.m C:

13、橋墩 + 帽梁自重：N=2*2.3*2.3*46*26+1039=13692.7KN，M=0 D：風載：F=208.19KN, M=208.19*46/2=5412.9 kn.m 合計：N=3406+890+13692.7=17988.68KN M=2384.2+623+5412.9=8420.1 kn.m E0=M/N=0.468m L0=46.2*2=92.4 （考慮墩底固結，墩頂自由） 按偏壓構件計算配筋，68 3213.5滿足規(guī)范要求。 裂縫計算按照JTG D60-2004第6.4.3條： Wfk -GC2C3 6s（30 d ） Es （0.2810 丿 裂縫寬度：0.076mm 根

14、據(jù)以上的分析結果可知橋墩在施工階段安全可靠。 同理計算D=2.3m圓柱墩按70 32配筋滿足規(guī)范要求，裂縫寬度：0.069mm 2、按使用階段最不利組合驗算墩身結構安全性 、橋墩集成剛度計算假定 1、一聯(lián)橋中，僅計算橋墩的受力，不考慮過渡墩與橋臺的受力。 2、偏安全考慮，汽車制動力的分配按照三個中墩的集成剛度分配。 3、 主梁的收縮徐變折成降溫計算，降溫溫度取30C。 4、為取得最大水平力，溫度變化須與收縮徐變變化一致，升溫不控制設計，升 溫水平力不做計算。故由溫度變化引起的水平力，僅考慮降溫引起，降溫溫度取25E 6 4,5 , 6號橋墩為固結墩 、橋墩集成剛度計算 1、橋墩幾何參數(shù)計算 橋

15、墩幾何參數(shù) 位置 邊長或 直徑 墩高 面積A 墩慣矩 m m m m4 4#墩 2.3 46.2 10.58 2.33 5#墩 2.3 P 46.2 10.58 2.33 6#墩 1.8 21 5.1 0.7 2、橋墩抗推剛度計算 按照規(guī)范計算抗推剛度時，混凝土的抗彎彈性模量取抗壓彈性模量的 0.8倍，橋墩抗推剛度按照下式計算，即： c 3X0.8EI d3 H 3 其中：E-混凝土彈性模量，C30混凝土，E=3XlO4MPa H- 橋墩高度 橋墩抗推剛度 位置 抗推剛度 KN/m 4#墩 1594.1 5#墩: 1594,1 1 6#墩 2616.4 3、橋墩集成剛度計算 橋墩與支座串聯(lián)，橋

16、墩的集成剛度按照下式計算，即: 由于4,5，6號墩均為固結，本次設計集成剛度按橋墩剛度考慮。 、橋墩墩頂水平力計算 1、一聯(lián)橋梁變形零點計算 變形零點按照下式計算，即： 其中：c收縮系數(shù)，計算中按照混凝土收縮+徐變+降溫取55C, C=1E-5X 55=0.00055; KiLi -橋墩抗推剛度與橋墩距橋臺距離的乘積； R-橋臺摩擦系數(shù)與上部結構豎直反力的乘積，如為滑板支座，取0。 由以上參數(shù)可計算得到： X=85.96m 2、收縮徐變、降溫產生的水平力 水平力按照下式計算，即： H 二C ：t X Ki 其中：C收縮系數(shù)； t 收縮徐變或降溫的溫度差； X橋墩距離變形零點的距離； Ki 橋墩

17、抗推剛度。 收縮徐變、降溫產生的水平力 位置 收縮徐 變 降溫 4#墩 19.4 16.167 5#墩 2.519 : 2.099 : 6#墩 21.92 18.266 表中水平力正號表示力的方向指向小樁號過渡墩（橋臺），負號表示力的方向背離 小樁號過渡墩（橋臺）。 3、墩頂制動力計算 橋梁一聯(lián)長度：4X 40=160m 均布荷載qk=10.5KN/m 集中荷載Pk=320KN 一列車道荷載的 10%（160 X 10.5+320） X 10%=200KIN165KN 故：總制動力 Hz=200X 2.34=468KN 每個橋墩上分配的制動力為： Ki Hi1 Hz 送Ki 墩頂制動力 位置

18、制動力 單位 4#墩 132.719 : KN : 5#墩1 132.719 : KN 6#墩 202.562 KN 4、風力計算 橫橋向風荷載假定水平的垂直作用于橋梁各部分迎風面積的形心上，其標準 值按照JTG D60-2004第4.3.7條公式計算。 Fwh = k 0 kl k3Vd Awh V 2V 2 Wd旦；W0；Vd 二 k2k5V10 ；=0.012017e-0.0001z 2g2g 其中：k-設計風速重現(xiàn)期換算系數(shù)，對于單孔跨徑為大橋和特大橋的橋梁, k=1.0 ； Ki -風阻力系數(shù)，由JTG D60-2004表437-6查取 kl表 位置 直徑b (m 墩高 H(m) t

19、/b k1 4#墩 2.3 46.2 1 2 5#墩 2.3 46.2 1 2 : 6#墩 1.8 21 1.769 1.54 g -重力加速度，g=9.81m/s2 V10 - 38.4m/s 按照JTG D60-2004第4.3.7條第2款，“橋墩上的順橋向風荷載標準值可按 橫橋向風壓的70淙以橋墩迎風面積計算”。 縱橋向、橫橋向風力表 位置 K0 K1 K2 K3 K5 W0(KN/m2) Awh(m2) Fwh(KN) FwZ(KN) 4#墩 1.0 2 1.15 1.3 1.38 0.35 243.3 252.1 176.5 5#墩 1.0 2 1.15 1.3 ： 1.38 0.3

20、5 243.3 252.1 P 176.5 : 6#墩 1.0 1.54 1.02 1.3 1.38 0.35 37.8 41.5 51.5 、橋墩墩墩底彎矩計算 1收縮徐變產生的彎矩 收縮徐變產生的彎矩表 位置 墩高 水平 力(KN) 彎矩 (KNm) 4#墩 48.2 19.4 935.08 5#墩 48.2 2.519 121.4 6#墩 23 21.92 504.16 2、降溫產生的彎矩 產生的彎矩表 位置 墩高 水平 力(KN) 彎矩 (KNm) 4#墩 48.2 16.167 779.2 5#墩 48.2 2.099 101.7 6#墩 23 18.266 420.1 3、汽車制動

21、力產生的彎矩 汽車制動力產生的彎矩表 位置 墩高 水平 力(KN) 彎矩 (KNm) 4#墩 51.5 132.719 6835 5#墩 51.5 132.719 6835 6#墩 23 202.562 4658.9 4、風荷載產生的彎矩 風荷載產生的彎矩表 位置 墩高 水平 力(KN) 彎矩 (KNm) 4#墩 48 176.5 8472 5#墩 47 176.5 8295.5 6#墩 23 51.5 1184.5 5、橋墩單側溫差產生的彎矩（由 MIDAS Civil v7.9 計出） 橋墩單側溫差產生的彎矩表 位置 墩高 水平 力（KN） 彎矩 (KNm) 4#墩 - - 4108.0

22、5#墩 - - 4159.0 6#墩 - - 315.0 按橋梁滿負荷時因溫度作用致使墩頂受到上構伸縮引起的強制縱橋向水平位移 作為使用階段墩身最不利情況。 、基本組合按照JTG D60-2004第4.1.6條計算： m 0 Sud二 0(二Gi SGik i n +，Qi Sq +c送，Qj SQjk ) j=2 M=1.0X收縮徐變彎矩+1.4 X制動力彎矩 +0.7 X（ 1.4 X降溫彎矩+1.1 X風荷載彎矩+1.1 X橋墩單側溫差） N=1.0X（蓋梁+墩身）+1.0 X上部恒載+1.0 X活載 、短期組合按照JTG D60-2004第4.1.7條計算 mn Ssd = SGik

23、j 1 j SQjk i壬j 1 Ms=1.0X收縮徐變彎矩+0.7 X制動力彎矩+0.8 X降溫彎矩 +0.75 X風荷載彎矩+0.75 X橋墩單側溫差 Ns=1.0X（蓋梁+墩身）+1.0 X上部恒載+0.7 X活載 、長期組合按照JTG D60-2004第4.1.7條計算 mn Sld二Qik二 2 j SQjk i 1j J Ms=1.0X收縮徐變彎矩+0.4 X制動力彎矩+0.8 X降溫彎矩 +0.75 X風荷載彎矩+0.75 X橋墩單側升溫 Ns=1.0X（蓋梁+墩身）+1.0 X上部恒載+0.4 X活載 荷載基本組合表 位置 M(KNm) N(KN) 4#墩 20954.3 28

24、025.7 5#墩 19380.03 28025.7 6#墩 8592.933 17796.5 “活載”中已計入沖擊系數(shù)0.27 荷載短期組合表 位置 M(KNm) N(KN) 4#墩 14100.02 24032.17 5#墩 13235.73 23816.12 6#墩 6381.38 16705.35 活載”中不計沖擊系數(shù) 荷載長期組合表 位置 M(KNm) N(KN) 4#墩 12799.01 22941.07 5#墩 11961.84 22725.02 6#墩 4398.98 17539.89 活載”中不計沖擊系數(shù)。 2、配筋計算及承載能力驗算 橋墩配筋表 位置 墩咼 尺寸 根數(shù) 直徑 保護層厚 含筋率 (m) (m) (mm) (mm) %o 4#墩 46 b*h=2.3*2.3 68 32 6 11.6 5#墩 45 b*h=2.3*2.3 68 32 6 11.6 6#墩 21 D=1.8 46 28 6 11.1 表中鋼筋根數(shù)為一側墩壁單層鋼筋根數(shù) 裂縫計算按照JTG D60-2004第643條: Wfk =C1C2C3 -ss Es 0.2810 匸 As+Ap bh。(bf -b)hf ；當 p v0.006 時，取 p =0.006 時；當 p 0.02 時，取 p =0.02。 G