整體式無縫橋梁橋臺(tái)高度對(duì)主梁受力性能研究

張 帆

(深圳市交運(yùn)工程集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518003)

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整體式無縫橋梁橋臺(tái)高度對(duì)主梁受力性能研究

張 帆

(深圳市交運(yùn)工程集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518003)

利用大型有限元軟件ABAQUS，建立了整體式無縫橋梁全橋與臺(tái)后土體及樁周土體相互作用的三維非線性有限元計(jì)算模型，分析了在砂類土地基中，不同橋臺(tái)高度在自重及溫度荷載作用下對(duì)整體式無縫橋梁主梁的受力影響，得出了一些有益的結(jié)論。

整體式無縫橋梁，溫度荷載，橋臺(tái)高度，ABAQUS

0 引言

相對(duì)于有伸縮縫橋梁，無縫式整體式橋梁有其明顯的優(yōu)勢(shì)：1)取消了伸縮裝置，方便施工，降低橋梁造價(jià)及維護(hù)費(fèi)用，消除跳車現(xiàn)象，同時(shí)減少對(duì)橋梁的沖擊作用及減輕橋梁腐蝕現(xiàn)象，提高橋梁的使用壽命；2)橋梁的整體剛度增大，活載在橋梁縱橫向的分布更加均勻，上部結(jié)構(gòu)的鋼筋用量降低，同時(shí)橋臺(tái)更輕更小，下部結(jié)構(gòu)的混凝土用量也較少；適用于舊橋改造工程；3)抗震能力較有伸縮縫橋梁大大提高，日本的測(cè)試表明：使用整體式橋臺(tái)可以增大阻尼力。整體式無縫橋梁應(yīng)用于量大面廣的中小橋，改變了過去的設(shè)計(jì)思想，是橋梁建設(shè)領(lǐng)域的一大進(jìn)步，在世界各國得到大力推廣應(yīng)用。

ABAQUS大型非線性有限元分析軟件對(duì)復(fù)雜的力學(xué)問題和高度非線性問題有著強(qiáng)大的模擬和處理能力，相信能更好地模擬整體式無縫橋中復(fù)雜的土—結(jié)構(gòu)共同作用。本文利用大型有限元軟件ABAQUS，建立了整體式無縫橋梁全橋與臺(tái)后土體及樁周土體相互作用的三維非線性有限元計(jì)算模型；分析在砂類土地基中，不同橋臺(tái)高度在自重及溫度荷載作用下對(duì)整體式無縫橋梁主梁的受力影響。

1 整體式無縫橋梁ABAQUS有限元計(jì)算模型

1.1 計(jì)算參數(shù)

橋梁結(jié)構(gòu)、土體材料參數(shù)如表1～表4所示。

表1 整體式無縫橋梁結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

表2 地基土(粘性土)計(jì)算參數(shù)

表3 臺(tái)后填土計(jì)算參數(shù)

表4 路堤土計(jì)算參數(shù)

1.2 有限元模型

在整體式無縫橋梁中，橋臺(tái)與主梁連接，又與樁基連接，同時(shí)在主梁發(fā)生變形時(shí)，又與臺(tái)后填土之間相互作用，而且根據(jù)相關(guān)研究表示，合適的橋臺(tái)設(shè)計(jì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響比較大，而且橋臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸中最重要的參數(shù)就是橋臺(tái)高度的取值。為了較為完整系統(tǒng)地分析不同橋臺(tái)高度對(duì)整體式無縫橋梁在自重和溫度荷載作用下受力性能的影響，根據(jù)國內(nèi)外已建的整體式無縫橋梁橋臺(tái)高度的經(jīng)驗(yàn)值，本章利用大型有限元分析軟件ABAQUS分別建立了不同橋臺(tái)高度為2 m,3 m,4 m,5 m的橋梁結(jié)構(gòu)—土體模型進(jìn)行參數(shù)分析。模型采用幾何部件建模，模型共有兩個(gè)部件：橋梁結(jié)構(gòu)和土體。結(jié)構(gòu)與土體通過定義接觸對(duì)，接觸面的力學(xué)模型進(jìn)行，充分考慮材料非線性和接觸非線性。整體式無縫橋梁采用線彈性模型，土體均采用Mohr-Coulomb(摩爾庫侖)模型，與線彈性模型聯(lián)合使用。四九橋ABAQUS有限元模型采用幾何部件建模，模型共有兩個(gè)部件：橋梁結(jié)構(gòu)和土體(見圖1，圖2)。由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，只建立了全橋半結(jié)構(gòu)模型。

1)在模型中考慮了如下非線性問題：

a.橋臺(tái)與臺(tái)后填土之間的非線性相互作用；b.樁基與樁側(cè)土之間的非線性相互作用；c.搭板與路堤土之間的非線性相互作用。

2)模型中采用的假設(shè)如下：

a.不考慮混凝土收縮徐變、汽車荷載的影響；b.不考慮瀝青混凝土面層的影響；c.溫度荷載只考慮對(duì)主梁的作用。

3)模型邊界條件處理為：

a.在橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)稱截面處處理為對(duì)稱約束，即僅允許發(fā)生豎向位移；b.為了簡(jiǎn)化模型計(jì)算，橋墩底部直接采用固結(jié)處理；c.土體底部采用固結(jié)處理，外側(cè)徑向約束。

2 砂類土地基中橋臺(tái)高度對(duì)主梁受力結(jié)果分析

整體式無縫橋梁相比于有縫橋梁的特點(diǎn)是其上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)連成一個(gè)整體，在水平荷載下，主梁、橋臺(tái)、柔性樁基礎(chǔ)、臺(tái)后填土及地基土共同作用，其作用性能非常復(fù)雜。本章以下內(nèi)容分別闡述了在不同橋臺(tái)高度中，溫度作用下對(duì)整體式橋臺(tái)的主梁內(nèi)力、橋臺(tái)內(nèi)力、樁基內(nèi)力、搭板內(nèi)力等的影響。分析主要考慮兩種工況，工況一：重力作用下升溫30 ℃時(shí)；工況二：重力作用下降溫20 ℃時(shí)。

根據(jù)整體式無縫橋梁的受力特點(diǎn)，本文分析中各參數(shù)對(duì)以下各截面的受力和變形進(jìn)行研究：

1)主梁邊跨跨中受力(如圖3中ZLA位置、ZLB位置)；

2)主梁邊跨靠近橋臺(tái)梁端受力(如圖3中ZLC位置、ZLD位置)。

圖4～圖7分別表示在地基條件和橋梁長度等其他因素相同時(shí)，不同橋臺(tái)高度對(duì)于主梁邊跨跨中彎矩、主梁邊跨跨中軸力、主梁邊跨梁端彎矩、主梁邊跨梁端剪力的影響。其中軸力以受拉為“+”，受壓為“-”，彎矩以主梁上緣受拉為“+”，上緣受壓為“-”。工況一：自重+升溫30 ℃；工況二：自重+降溫20 ℃。

由圖4～圖7可知：

1)對(duì)于主梁邊跨跨中位置彎矩，工況一時(shí)隨著橋臺(tái)高度的增加，跨中彎矩非線性減?。还r二時(shí)隨著橋臺(tái)高度的增加，跨中彎矩線性減小。因此，一定范圍內(nèi)，無論升溫還是降溫情況下，橋臺(tái)高度越高，邊跨跨中彎矩越小。

2)對(duì)于主梁邊跨跨中位置軸力，工況一時(shí)隨著橋臺(tái)高度的增加，跨中軸力幾乎沒有影響；工況二時(shí)隨著橋臺(tái)高度的增加，跨中在2 m，3 m橋臺(tái)高度時(shí)受拉，在4 m，5 m時(shí)受壓，此時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)受力比較有利。因此，升溫時(shí)，主梁邊跨跨中受壓；降溫時(shí)，在其他設(shè)計(jì)條件相同的情況下可以選擇3 m以上的臺(tái)高。

3)對(duì)于主梁邊跨靠近橋臺(tái)梁端位置彎矩，工況一時(shí)隨著橋臺(tái)高度的增加，梁端彎矩非線性增大；工況二時(shí)隨著橋臺(tái)高度的增加，梁端彎矩線性增大。因此，一定范圍內(nèi)，無論升溫還是降溫情況下，橋臺(tái)高度越高，邊跨靠近橋臺(tái)梁端越大。

4)對(duì)于主梁邊跨靠近橋臺(tái)梁端位置剪力，工況一、工況二時(shí)隨著橋臺(tái)高度的增加，梁端剪力稍稍增加。因此，橋臺(tái)高度對(duì)主梁靠近橋臺(tái)梁端處剪力影響不大。

5)總體上，橋臺(tái)高度越高，主梁靠近橋臺(tái)梁端受力越大，跨中受力越小，值得注意是降溫時(shí)在4 m，5 m臺(tái)高時(shí)主梁受壓，對(duì)結(jié)構(gòu)有利，因此，其他設(shè)計(jì)條件相同時(shí)，可以優(yōu)先考慮4 m高的橋臺(tái)結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語

在整體式無縫橋梁中，在溫度荷載作用下，橋臺(tái)高度越高，主梁靠近橋臺(tái)梁端受力越大，跨中受力越小，值得注意是降溫時(shí)在4 m,5 m臺(tái)高時(shí)主梁受壓，對(duì)結(jié)構(gòu)有利，因此，其他設(shè)計(jì)條件相同時(shí)，可以優(yōu)先考慮4 m高的橋臺(tái)結(jié)構(gòu)。

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Study on major beam stress performance of integral-seamless bridge abutment height

Zhang Fan

(ShenzhenJiaoyunEngineeringGroupCo.,Ltd,Shenzhen518003,China)

Applying large-scale finite element software ABAQUS, the paper establishes three-dimension nonlinear finite element calculation mode of mutual interaction among integral-seamless bridge abutment and post-abutment soil and soil surrounding the pile, analyzes the stress impact of different abutment height upon integral-seamless bridge beam under self-weight and temperature load action in sandy soil foundation, and finally draws some beneficial conclusions.

integral-seamless bridge, temperature load, abutment height, ABAQUS

1009-6825(2017)14-0171-02

2017-03-06

張 帆(1970- )，男，工程師

U441

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