橋頭路基路面與搭板一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

宋金華 王 勇 杜衍慶

1 概況

設(shè)置橋頭搭板是避免橋臺和路面間發(fā)生錯臺常用的一種方法。但是從目前的實際情況看，現(xiàn)行的橋頭搭板設(shè)計方案難以達到理想的使用效果，經(jīng)調(diào)查分析，主要原因是搭板的埋置深度、受力狀態(tài)和該部位路基路面結(jié)構(gòu)的組合及應(yīng)力分布特性配合與適應(yīng)性問題。因此，針對現(xiàn)行橋頭搭板的欠合理性設(shè)計方面，調(diào)整搭板的埋深，分析其受力、沉降大小等，來綜合解釋橋頭路基路面與搭板一體化設(shè)計的優(yōu)越性。

2 橋頭跳車產(chǎn)生的原因

1)可控原因。a.路堤的壓縮沉降。b.施工措施不當。2)不可控原因。a.結(jié)構(gòu)差異性:橋臺屬于剛性結(jié)構(gòu)物，基礎(chǔ)設(shè)置在較好的持力層上，一般采用樁基礎(chǔ)，沉降基本為零。對于橋頭引道處，其路基是柔性或者是半剛性的，在車輛荷載長期作用下，不但會產(chǎn)生彈性變形，并且會產(chǎn)生較大不可恢復(fù)的塑性變形。塑性變形隨著時間的累積就造成了沉降差異，造成跳車現(xiàn)象。b.設(shè)計不合理:在基底未作徹底處理，沉降還未穩(wěn)定時，應(yīng)周詳考慮橋臺結(jié)構(gòu)與引道銜接，在沒有質(zhì)量保證的情況下，不應(yīng)該直接澆混凝土板。應(yīng)先設(shè)置過渡面層，待路堤沉降基本完成后再改鋪原設(shè)計面層，淺埋式橋頭搭板是目前常用的防治橋頭跳車的措施。

3 有限元方法的基本原理

取4個角為節(jié)點。節(jié)點 i的無量綱坐標ξi和ηi(i=1，2，3，4)分別為(-1，-1)，(1，-1)，(1，1)，(-1，1)。單元的節(jié)點位移向量為:ae=[μ1v1μ2v2μ3v3μ4v4]T。

單元內(nèi)任一點的位移用單元節(jié)點位移表示為:

形函數(shù)具有以下特征:

寫成矩陣形式為:

其中，B=[B1B2B3B4]，

單元的剛度矩陣為:

對于平面應(yīng)力問題，上式中任一子塊為:

其中，

4 建立ANSYS有限元模型

在建立橋頭搭板計算模型時，主要以兩種不同埋深的橋頭搭板進行對比分析，1)現(xiàn)行搭板設(shè)計方案“淺埋式”(埋置在路面結(jié)構(gòu)上部，約22 cm的位置);2)調(diào)整埋置位置后的“深埋式”(埋置在路面結(jié)構(gòu)層下部，約78 cm的位置)。本文的研究目的主要是建立搭板埋深和內(nèi)力的關(guān)系，故選取實體單元(Solid182)作為有限元單元類型，并考慮為平面應(yīng)變問題(PLANE STRAIN)。本模型中的材料主要考慮為線性(LINEAR)彈性(ELASTIC)材料，在定義材料參數(shù)表時按程序中給出的各材料列表進行定義，并且對結(jié)構(gòu)層做如下假設(shè):1)各結(jié)構(gòu)層為均質(zhì)、連續(xù)、各項同性的連續(xù)彈性體;2)各層層間豎向、水平位移均連續(xù);3)地基底面各向位移為零，地基層面水平方向位移為零;4)不計路面結(jié)構(gòu)的自重影響。為了節(jié)省程序計算時間并保證程序計算的精確性，本文把單元截面劃分成了邊長為10 cm相同形狀的單元網(wǎng)格。荷載采用最不利情況布置，即在搭板中央距離橋頭3 m處布置70 kN的力，并在距離橋頭1.6 m處布置同樣70 kN的力。

5 有限元計算成果及分析

本文主要是為控制搭板的深度而進行的有限元分析，分別為傳統(tǒng)的搭板設(shè)計方案，即淺埋式搭板設(shè)計，再置搭板埋于中間層作為過渡(距離頂面40 cm)，最后置搭板于路面結(jié)構(gòu)底層，即距頂面78 cm處。經(jīng)過3種不同埋置深度的搭板設(shè)計的分析研究，得出一系列強有力的指標說明深埋式搭板設(shè)計方案的優(yōu)勢，見表1。

表1 搭板不同位置的指標對比

在此略去搭板于中間的過渡狀態(tài)，更加直觀的在柱形圖中表明(如圖2所示):1)從搭板底部的豎向位移來看，淺埋式搭板的最大變形為1.66 mm，深埋式搭板的最大變形為0.938 mm，減少了43.5%。從這一差別來看，深埋式可以使搭板底面的垂直變形明顯減小，這就非常有利于使搭板與板底基礎(chǔ)共同處于彈性工作階段，減小由于搭板的垂直變形而引起板底基礎(chǔ)的塑性變形積累和搭板與地基基礎(chǔ)的脫空現(xiàn)象。2)搭板的深埋式設(shè)計方案能有效減小荷載對搭板的作用力，由淺埋式的最大等效應(yīng)力1.57 MPa減小到 1.04 MPa，減小了33.8%，這對提高搭板的使用壽命是非常有利的。

6 結(jié)語

搭板埋置深度的大小對解決橋頭跳車起著決定性的作用，但是搭板不是越深越好，如果搭板埋置過深就起不到搭板防止橋頭跳車的用意，而采用橋頭路基路面結(jié)構(gòu)與搭板結(jié)構(gòu)體系的一體化綜合設(shè)計方案，豎向位移減少了43.5%，最大等效應(yīng)力減小了33.8%，從這兩項指標可以看出:調(diào)整橋頭搭板的埋置深度后與路基路面重新組合的結(jié)構(gòu)形式得到充分發(fā)揮，并且延長了橋頭搭板的使用壽命，實現(xiàn)該部位的路基、路面和搭板結(jié)構(gòu)的合理組合，從而達到綜合防治橋頭跳車這一技術(shù)難題的目的。

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