整體式橋臺橋梁抗洪性能參數(shù)分析

莊一舟，徐 亮，黃福云，傅珠梅

(福州大學土木工程學院，福建 福州 350116)

整體式橋臺橋梁抗洪性能參數(shù)分析

莊一舟，徐 亮，黃福云，傅珠梅

(福州大學土木工程學院，福建 福州 350116)

通過建立整體式橋臺橋梁(永春上坂大橋)的有限元模型，將分析結(jié)果與實橋靜載試驗結(jié)果進行比較分析，驗證模型的正確性；然后通過改變有限元模型橋的斜交角、跨數(shù)、樁基尺寸、樁側(cè)土的類型、橋臺高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)和阻水面積，定量研究不同參數(shù)變化對整體式橋臺橋梁抗洪性能的影響.分析結(jié)果顯示：斜交角、阻水面積、樁基尺寸及樁側(cè)土類型的變化對橋梁抗洪性能的影響較大；整體式橋臺橋梁的跨數(shù)對結(jié)構(gòu)抗洪性能有一定影響，當橋梁跨數(shù)小于4時，改變跨數(shù)會較明顯地影響橋梁的抗洪受力性能，而當橋梁跨數(shù)超過4時，跨數(shù)的變化對橋梁的抗洪受力性能的影響極小；另外，橋臺高度的變化對整體式橋臺橋梁的抗洪受力的影響也較小.

整體式橋臺橋梁；抗洪性能；靜載試驗；有限元模型；參數(shù)分析

0 引言

水毀是公路橋梁較大的自然災害，每年由于洪災破壞橋梁造成的直接和間接損失慘重，整體式橋臺橋梁因其優(yōu)良的整體性能而在抗洪性能方面具有明顯優(yōu)勢[1].為充分利用整體式橋臺橋梁的獨特優(yōu)勢，有效提高整體式橋臺橋梁的抗洪性能，減少橋梁因洪災受害導致危害生命安全、經(jīng)濟安全的事故發(fā)生，深入分析整體式橋臺橋梁的抗洪性能具有重要意義，圖1為橋梁在洪水作用下現(xiàn)場破壞形式圖.

國內(nèi)外對整體式橋臺橋梁做了較多的研究，其中Moulton[2]發(fā)現(xiàn)橋臺比橋墩更容易運動且更容易對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，建議在設計時要考慮橋臺位移對橋梁結(jié)構(gòu)造成的影響; Chen[3]認為當橋臺不均勻沉降不小于38 mm時，應考慮其產(chǎn)生彎矩的影響; Kamael等[4]對整體式橋臺橋梁的樁基是否適合采用預制的預應力混凝土樁進行了分析，并提出能在實際工程中應用的主梁、橋臺及樁基的連接構(gòu)造并參與制定了整體式橋的設計標準; 張亮等[5]以湖南省的第一座無縫橋為背景工程，分析和比較了橋臺與主梁、橋臺與基礎分別采用鉸接或固接兩種不同方式時主梁受力特性，此外還研究了橋臺剛度的變化對橋臺受力性能的影響.從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出大多數(shù)研究只是針對縱橋向的性能研究，而缺少對具體實橋進行完整的抗洪性能量化分析.

從橋梁自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)出發(fā)，研究參數(shù)的變化對整體式橋臺橋梁抗洪性能的影響.橋梁自身的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括橋梁的斜度、阻水面積、跨數(shù)、樁長、樁基尺寸、樁側(cè)土的類型、橋臺高度等.通過進行整體式橋臺橋梁抗洪性能參數(shù)化分析得出各參數(shù)對整體式橋臺橋梁抗洪性能的影響程度，對指導今后整體橋的抗洪設計具有重要意義.

圖1 橋梁的洪災破壞形式Fig.1 Damage form of bridge under flooding

1 背景工程和FEM模型

圖2 上坂大橋側(cè)面圖Fig.2 Profile of Shangban bridge

福建省永春縣上坂大橋是國內(nèi)目前最長的一座整體式橋臺橋梁，實橋如圖2所示.全橋分為4跨，全長137.1 m，橋面寬(凈7.5+2×0.5)m.該橋的上部結(jié)構(gòu)采用4×30 m預應力混凝土連續(xù)T梁，橫斷面上由4片T梁組成，每片梁梁高1.8 m，梁寬1.56 m，現(xiàn)澆濕接段寬0.6 m.上坂大橋的結(jié)構(gòu)體系為：先簡支后連續(xù)，最后與橋臺澆注成整體.中間采用雙柱式墩，直徑1.5 m.由于墩底地質(zhì)情況良好，柱式橋墩采用擴大基礎.

利用MIDAS/Civil軟件對上坂大橋在橫向水流作用下的受力性能進行了分析.有限元模型采用梁格法進行建模, 主梁、樁基和橋墩均采用三維梁單元進行模擬，支座采用彈性連接進行模擬，墩底與基礎固結(jié)，樁側(cè)土的作用采用土彈簧來模擬.全橋共有789 個節(jié)點，1 132 個單元[1].

2 參數(shù)分析與比較

文獻[1]已將數(shù)值計算結(jié)果與實橋靜載試驗結(jié)果進行對比和驗證，校核內(nèi)容邊跨L/2、L/4處截面的撓度及應變.通過比較發(fā)現(xiàn)，兩者總體規(guī)律一致且吻合較好，從而說明該有限元模型能較真實地反映該橋的受力特性，可以用于后續(xù)的分析.為了解整體式橋臺橋梁的抗洪性能影響因子，以上坂大橋為原型，橋臺與主梁通過滑動支座連接，支座以彈簧代替，改造成如圖3所示的兩跨整體式橋臺橋梁進行有限元模型參數(shù)分析，其有限元模型細部節(jié)點如圖4所示.主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括斜度、阻水面積、跨數(shù)、樁長、樁基尺寸、樁側(cè)土的類型和橋臺高度等.

圖3 上板大橋有限元模型Fig.3 FEM of Shangban bridge

圖4 有限元模型節(jié)點細部圖Fig.4 Detail of FEM

2.1 斜交角

斜交角α選取 0°、15°、30°、45°和60°五個斜度參數(shù)，建立正橋和斜橋的MIDAS/Civil空間有限元模型進行分析.分析內(nèi)容有支座反力、結(jié)構(gòu)位移分析和下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析.所得結(jié)果如圖5所示(正為拉，負為壓).

由圖5可知，斜交角增大時，背水面支座壓力、支座橫向剪力增大，迎水面支座拉力減小，墩頂縱、橫橋向位移、橋臺縱、橫橋向位移增大(其中墩頂橫橋向位移增勢最猛)，橋墩縱向剪力、迎水面橋墩軸力有輕緩增大趨勢，橋墩橫向剪力幾無影響.背水面橋墩軸力在斜交角小于45°時輕緩增加，當斜交角大于45°時急劇減小.樁基縱、橫向剪力、迎水面樁基軸力顯著增大，迎水面樁基軸力顯著減小.這是因為當斜交角增大時，水流對橋跨迎水面向上的撐力減小，原來由阻水力引起的橋跨橫向的彎矩則逐漸減少.

圖5 不同斜交角下結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移的變化曲線Fig.5 Variation curve of inner force and deformation under different skew angle

2.2 阻水面積

橋梁受洪水水平力與橋梁迎水面的阻水面積密切相關(guān).當阻水面積從1.2 m2變化到6.0 m2時，取縱向單位長度進行洪水力計算，所得結(jié)果如表1所示，通過改變阻水面積計算出的橋梁支座反力、墩內(nèi)力、樁內(nèi)力及結(jié)構(gòu)位移的變化曲線如圖6所示.

表1 洪水力計算結(jié)果Tab.1 Calculated results of flooding force

圖6 不同阻水面積下結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移的變化曲線Fig.6 Variation curve of inner force of structure and deformation under different drag area

由圖6分析可得，橋梁背水面支座、橋墩、樁基軸壓力及其剪力隨橋梁阻水面積的增大呈線性增大；橋梁迎水面支座、橋墩及樁基軸壓力隨橋梁阻水面積的增大呈線性減小.除此之外，墩頂及橋臺橫橋向位移也隨阻水面積的增大而增大，且墩頂橫向位移受影響幅度大.

2.3 跨數(shù)

橋梁跨數(shù)由2跨變化到6跨，受跨數(shù)變化影響的橋梁支座反力、墩內(nèi)力、樁內(nèi)力及結(jié)構(gòu)位移曲線如圖7所示.由圖7分析可知：當跨數(shù)小于或等于4時，橋墩縱向剪力、支座橫橋向剪力、背水面支座壓力隨著跨數(shù)的增加而增加，迎水面支座軸力和樁基縱向剪力隨著跨數(shù)的增加而減少，橋臺橫向位移和背水面樁基軸力不受跨數(shù)影響; 當跨數(shù)大于4時，以上受力和位移不受跨數(shù)的變化而變化.這是因為當跨數(shù)較少時，整體橋兩端的橋臺對橋梁抗洪能力的影響較明顯, 但橋臺對抗洪的貢獻隨著跨數(shù)的增加不斷減小，當跨數(shù)超過某個值時，橋臺對抗洪能力的影響很小.

圖7 不同跨度下結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移的變化曲線Fig.7 Variation curve of inner force of structure and deformation under different span

2.4 樁基尺寸

圖8 不同相對邊下結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移的變化曲線

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，隨著相對邊長的增大，洪水力對樁基受力的影響加大，而對橋墩及支座受力的影響相對減小.原因可能為樁相對邊長的增大提高了樁的剛度，從而使得整體式橋梁兩端的整體式橋臺對橋梁抗洪的貢獻變大，中間橋墩及支座的貢獻相對減小.

2.5 樁側(cè)土的類型

據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，整體式橋臺橋梁為適應溫度變化，樁側(cè)最佳土類型為砂土[7].為了進一步分析樁側(cè)土特性對橋梁結(jié)構(gòu)抗洪性能的影響，現(xiàn)取不同類型的砂土進行整體式橋梁抗洪分析.在假定樁側(cè)土為中密的前提下，對應不同類型的砂土，橋梁抗洪分析結(jié)果如圖9所示.

圖9 不同樁側(cè)土下結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移的變化曲線Fig.9 Variation curve of inner force of structure and deformation under different soil around pile

由圖9可知，不同類型的樁側(cè)砂土對整體式橋梁的抗洪性能影響較大.橋墩及支座的受力受洪水力的影響程度由粉砂至礫砂逐漸變小，樁基受洪水力的影響逐漸變大； 墩頂及橋臺位移越小，橋臺的抗洪貢獻越明顯.這可能是因為從粉砂變至礫砂，樁側(cè)土的剛度越來越大使得樁基的抗洪受力越來越大，因而越來越有利于整體式橋的抗洪.但樁側(cè)土剛度的增加會阻礙橋梁縱橋向因溫變而引起的變形，因此設計時應共同考慮.

2.6 橋臺高度

改變橋臺高度使得相對臺高由0.5～2.5變化進行抗洪計算并得出橋梁支座反力、墩內(nèi)力、樁內(nèi)力及結(jié)構(gòu)位移的變化曲線如圖10所示.

圖10 不同相對臺高下結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移的變化曲線

結(jié)果顯示，橋梁的支座反力、橋墩內(nèi)力、樁基內(nèi)力、橋梁結(jié)構(gòu)位移隨橋臺高度的增加變化很少，這說明橋臺高度的變化對整體式橋臺橋梁抗洪性能影響很小.

3 結(jié)論

以單變量的形式改變整體式橋臺橋梁自身結(jié)構(gòu)參數(shù)，進而來研究此類橋梁自身結(jié)構(gòu)參數(shù)對抗洪能力的影響.

1) 通過分析發(fā)現(xiàn)，斜交角、阻水面積、樁基尺寸及樁側(cè)土類型的變化對橋梁抗洪性能的影響較大，橋臺高度的變化對整體式橋臺橋梁的抗洪受力的影響較小.

2) 設計整體式橋臺橋梁時，應考慮斜交角對橋梁抗洪性能的影響.因支座受壓能力一般比受拉能力強，增大斜交角有利于減少迎水面支座所受的拉力，防止因拉力過大導致支座破壞.但是斜交角的增大將導致墩頂縱、橫橋向位移、橋臺縱、橫橋向位移的增大.盡管支座局部受到保護，但是橋梁整體性能不一定會提升，因此此項因素要綜合考慮.

3) 盡量減少橋梁阻水面積有利于提高整體式橋臺橋梁的抗洪性能.例如，在受洪水影響較大的河流上或因地勢較低，橋下凈空沒法達到要求時，可以將橋梁設置成欄桿在洪水來臨瞬間可以倒下的漫水橋，這樣可以瞬間較大幅度地減少橋梁阻水面積，從而大大地提高橋梁的抗洪性能.

4) 當橋梁跨數(shù)小于4時，改變橋梁的跨數(shù)會一定程度地影響整體式橋臺無縫橋梁的受力性能，但當橋梁跨數(shù)超過4時，橋梁跨數(shù)的變化對整體式橋臺橋梁的抗洪受力性能基本沒有影響.

5) 隨著相對邊長的增大，樁的剛度也隨之變大，洪水力對樁基受力的影響加大，而對橋墩及支座受力的影響相對減小.從而使得整體式橋梁兩端的整體式橋臺對橋梁抗洪的貢獻變大，中間橋墩及支座的貢獻相對減小.

6) 不同類型的樁側(cè)砂土對整體式橋臺橋梁的抗洪性能的影響較大.橋墩及支座的受力受洪水力的影響程度由粉砂至礫砂逐漸變小，樁基受洪水力的影響變大，墩頂及橋臺位移變小，橋臺的抗洪貢獻越來越明顯.

[1] 莊一舟，徐亮，任衛(wèi)崗，等.整體式無縫橋梁抗洪性能分析[J].福州大學學報(自然科學版), 2016, 44(4):472-479; 486.

[2] MOULTON L K.Observations of highway bridge movements and their effects on joints and bearing[J].Transportation Research Record, 1983(903)：86-95.

[3] CHEN Y.Important considerations, guidelines, and practical details of integral bridges[J].Journal of Engineering Technology, 1997, 14(1)：16-19.

[4] KAMEL M R, BENAK J V, TADROS M K,etal.Prestressed concrete piles in jointless bridges[J].PCI, 1996, 41(2)：56-67.

[5] 張亮, 寧夏元.設置小邊跨的無縫連續(xù)梁橋設計[J].中南公路工程, 1998, 23(2):18-20.

[6] 凌治平, 易經(jīng)武.基礎工程[M].北京:人民交通出版社, 1997.

[7] 趙明華, 俞曉.土力學與基礎工程[M].武漢:武漢理工大學出版社, 2007.

[8] 高冬光.公路橋涵設計手冊:橋位設計[M].北京:人民交通出版社, 1998.

[9] 中交公路規(guī)劃設計院.公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范:JTG D62-2004[S].北京:人民交通出版社, 2004.

(責任編輯：洪江星)

Parametric analysis on anti-flooding performance of integral abutment bridge

ZHUANG Yizhou，XU Liang，HUANG Fuyun, FU Zhumei

(College of Civil Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350116，China)

A finite element model (FEM) of Shangban bridge, Yongchun county, Fujian, was established and its accuracy was verified with a good agreement by comparing FEM with static loading test on the completed bridge.Then, the anti-flooding performance of the integral abutment bridge (IAB) was parametrically studied by changing the structural parameters including bridge skew angle, number of span, pile dimension, soil type around pile and abutment height as well as water dragging area.The results show that parameters such as bridge skew angle, water dragging area, pile dimension and soil type have a significant influence on the anti-flooding performance of IAB.Variation of span number can somehow have an influence on it unless the number is less than 4.In addition, abutment height has a little influence on it.

integral abutment bridge; anti-flooding performance; static loading test; finite element model; parametric analysis

2015-08-26

莊一舟(1964-)，教授，主要從事無縫橋的研究, yizhouzhuang@qq.com

國家自然科學基金資助項目(51278126，51578161)；福建省自然科學基金資助項目(2013J01187)

10.7631/issn.1000-2243.2016.04.0497

1000-2243(2016)04-0497-07

U443.2

A