橋臺高度對肋板式橋臺受力特性的影響

張 涵 趙香玲 王安東

橋臺高度對肋板式橋臺受力特性的影響

張 涵1趙香玲2王安東2

（1.中鐵一局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西 咸陽 712021；2.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714099）

基于對運營8m以上有裂縫的橋臺調(diào)查，總結(jié)出橋臺高度對橋臺的影響比較敏感，因此分析橋臺高度對肋板式橋臺力學(xué)特性的影響就比較有工程實際價值。針對8m以上運營肋板橋臺出現(xiàn)裂縫的情況，利用有限元軟件Midas/Civil建立40m跨徑橋梁，肋板橋臺高度分別為8、10、12、14m，基于此分析在汽車中載、偏載、人群荷載、溫度荷載、混凝土收縮徐變作用下肋板橋臺上部結(jié)構(gòu)力學(xué)特性。結(jié)果表明：作用荷載不變時，隨橋臺高度增加臺帽順橋向位移逐漸減小，橫向應(yīng)力以3%的增幅增大。

肋板式橋臺；最大位移；最大主拉應(yīng)力

高速公路經(jīng)過丘陵和山區(qū)時，為了滿足高速公路的平縱設(shè)計要求，采用橋梁實現(xiàn)線路平緩，從而出現(xiàn)了較多高橋臺。通過對運營橋梁橋臺調(diào)查，發(fā)現(xiàn)橋臺高度在8m以下的運營良好；而橋臺高度大于8m的在橋臺臺帽跨中底部、臺帽與肋板接觸處包括臺帽頂和承臺底部也出現(xiàn)了不同程度的開裂，破壞了橋臺的整體性，嚴(yán)重影響其運營安全。

孫治國［1］通過運用有限元分析研究了高原大橋臺的地震破壞機理；祝志文［2］通過計算流體動力學(xué)方法數(shù)值模擬橋臺局部沖刷，對橋臺穩(wěn)定性進(jìn)行分析；賀薇［3］通過現(xiàn)場測試?yán)甙鍢蚺_背后填土?xí)r橋臺水平位移，得出填土?xí)r分層鋪設(shè)土工格柵可以有效控制橋臺水平位移。在對橋臺穩(wěn)定性各種因素的研究中，對大跨徑高橋臺研究較少。本文對跨徑為40m，橋臺高度分別為8、10、12、14m的肋板橋臺進(jìn)行研究。

1 橋梁結(jié)構(gòu)選取

1.1 上部結(jié)構(gòu)的選取

上部結(jié)構(gòu)采用跨徑40m的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁，橋面單幅寬12.75m，雙車道、荷載為公路-I級，上部結(jié)構(gòu)采用C50混凝土。橋斷面由6T梁組成，為了使各片T量相互聯(lián)系，兩片T梁之間添加H×B=0.3m×2.5m的橫向虛梁。T梁具體尺寸如圖1所示，主梁跨中橫截面如圖2所示。

圖1 40mT梁截面尺寸（單位：mm）

圖2 主梁跨中橫斷面圖（單位：mm）

1.2 下部結(jié)構(gòu)橋臺的選取

本文所選用肋板式橋臺，肋板橋臺高分別選取8、10、12、14m，采用4端承樁做其基礎(chǔ)，橋臺兩肋板通過啞鈴形承臺與端承樁連接，肋板上部由臺帽連接背墻和耳墻。整個肋板橋臺采用C30混凝土、鋼筋采用HRB335，承臺與端承樁全部埋入土中。填土均為沙土，填土的內(nèi)摩擦角φ=30°，填土容重為γ=18kN/m3，臺前溜坡坡度取1∶1.5。由于肋板橋臺基礎(chǔ)采用端承樁，因此不考慮土體對其產(chǎn)生的土壓力影響。肋板橋臺三維構(gòu)造如圖3所示。

2 不同橋臺高度下橋臺各個部位的土壓力計算

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》條文說明第4.2.3條規(guī)定為：

圖3 肋板式橋臺三維圖

式（1）中，h為汽車荷載的等代均布土層厚度（m）；∑G為布置在B×l0面積內(nèi)的車輪的總重力（kN）；B為橋臺橫向全寬（m）；l0為橋臺后填土的破壞棱體長度，l0=H×tanθ（m）（其中θ為破壞棱體破裂面與豎直線之間的夾角，H為計算土層高度（m））；γ為土的容重。

式（2）中：α為橋臺與豎直面的夾角，α=0°。

式（3）中ω為計算夾角；δ為臺背與填土間的摩擦角，一般取=15°；φ為土的內(nèi)摩擦角。

土壓力系數(shù)按規(guī)范4.2.3條：

式（4）中，μ為土壓力系數(shù)；β為填土表面與水平面夾角，β=0°，其余符號意義見上述。

臺帽背墻頂至臺帽底高度范圍內(nèi)的土壓力為：

式（5）（6）中，E為主動土壓力（kN）；C為主動土壓力的著力點，其余符號意義見上述。對臺身頂?shù)牧εㄖ鲃油翂毫Φ闹c自計算土層底面算起）臺帽背墻頂至臺帽底高度范圍內(nèi)的土壓力對臺身頂?shù)耐翂毫澗兀∕）為：

計算上部結(jié)構(gòu)時按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》4.3.6條規(guī)定，計算汽車制動對40m跨徑橋梁產(chǎn)生的荷載。不同橋臺高度各部位土壓力計算見表1。

3 三維空間模型有限元分析

運用有限元軟件Midas/Civil分別對跨徑為40m的簡支T梁橋分別在中載和偏載下對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，考慮溫度荷載和收縮徐變的影響。對肋板式橋臺頂部沿道路縱向間隔0.4m、縱向?qū)挾?m進(jìn)行網(wǎng)格劃分。三維模型如圖4所示。

表1 不同臺高時橋臺各個部位的土壓力

圖4 40m跨徑T梁橋三維效果

3.1 不同橋臺高度橋臺中載作用下受力特性

運用Midas/Civil數(shù)值模擬分析橋臺受力時，將上部結(jié)構(gòu)荷載轉(zhuǎn)化為施加在支座墊石上。橋臺主要承受沿橋線路切線方向土壓力和垂直于橋面方向的支座反力，沿橋線路切線方向設(shè)為Y方向，橫橋向為X、垂直橋面為Z方向。在靜荷載作用下對不同高度的肋板橋臺進(jìn)行線性分析。

為了簡化分析肋板橋臺受力數(shù)值模擬結(jié)果，重點選取承臺、臺身頂面、地面、臺身中點、臺身、臺帽中點和邊緣節(jié)點，共選取22個關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行位移應(yīng)力分析。DY為肋板橋臺順切線位移、SXX為橫向軸應(yīng)力、SYY為順向軸力、SZZ為垂直軸向應(yīng)力、P1為最大主拉應(yīng)力。

隨著橋臺高度的變化，在相同節(jié)點處最大主拉應(yīng)力變化不顯著。但在肋板頂部和臺帽底部內(nèi)側(cè)，變化較為突出，在肋板頂部14m高橋臺最大主應(yīng)力大于8m高橋臺的主應(yīng)力。最大主應(yīng)力達(dá)1.75N/mm2，且臺帽跨中出現(xiàn)的最大拉主應(yīng)力小于C30混凝土的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，如圖5所示。

分析SZZ曲線可知：不同高度橋臺的承臺到臺帽均處于受壓狀態(tài)，且承臺跨中區(qū)域各節(jié)點處壓力隨橋臺高度變化影響不大；臺帽跨中部位垂直軸向應(yīng)力較大，橋臺高度14、8m臺帽跨中壓力大于12、10m高度跨中壓應(yīng)力。

3.2 不同橋臺高度橋臺偏載載作用下的受力特性

比較分析不同高度橋臺在受偏載時SZZ曲線圖得出：垂直于橋面軸向應(yīng)力，在承臺、臺帽和背墻底部局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，由于混凝土抗拉強度較小，因此兩肋板均處于受壓狀態(tài)，8、10、12、14m高度橋臺最大壓應(yīng)力分別為9.90、9.44、9.93、9.45MPa。

分析偏載時作用下不同高度橋臺最大主應(yīng)力變化曲線圖，得知其最大值出現(xiàn)在橋臺臺帽底部中間、肋板頂接觸的臺帽頂部、背墻底部和承臺底部等位置，且8、10、12、14m各最大主應(yīng)力分別為2.74、2.86、2.84、2.92MPa，且各處最大主應(yīng)力均大于C30混凝土的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度值2.01MPa。

圖5 中載作用下節(jié)點位移應(yīng)力變化曲線圖

4 結(jié)論

通過討論跨徑為40m橋梁，在橋臺高度分別為8、10、12、14m，中載和偏載荷載作用下，荷載和臺高對肋板橋臺受力特性的影響，得出以下結(jié)論：

①橋臺高度相同時，中載和偏載對臺帽DY位移影響不大；作用荷載不變時，隨橋臺增高，臺帽DY位移逐漸減小，且各特征節(jié)點處位移均小于0.5 L；

②肋板最大拉P1均發(fā)生在靠近橋跨方向與樁基接觸的正上方，且隨橋臺高度的增大而增大；橋臺高度為12m時其最大主應(yīng)力拉應(yīng)力大于臺高為10m時最大主拉應(yīng)力，且隨肋板厚度的增加其值有所減小。

［1］孫治國，王東升，張蓓，等.高原大橋橋臺地震破壞機理與抗震措施分析［J］.地震工程與工程振動，2012（4）：79-87.

［2］祝志文，喻鵬，劉震卿.橋臺局部沖刷形態(tài)的CFD動態(tài)仿真［J］.土木工程學(xué)報，2014（3）：103-111.

［3］賀薇，王保田.肋板式橋臺填土期間的土壓力和橋臺位移的現(xiàn)場試驗研究［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2017（6）：32-35.

Influence of Abutment Height on the Ribbed Slab Abutment Stress Characteristic

Zhang Han1Zhao Xiangling2Wang Andong2
（1.The Fourth Engineering of China Railway First Group Co.Ltd.，Xianyang Shaanxi 712021；2.Shaanxi Railway Institute，Weinan Shaanxi 714099）

Based on the investigation of abutment that the hight is more than 8m crack,it is summed up that the influence of the abutment height on abutment is sensitive,therefore,the analysis of the mechani?cal properties height of the abutment on ribbed plate type abutment is practical engineering value.For the problem that the ribbed plate-type abutment is more than 8m and in operating with crack,the finite ele?ment software Midas/Civil is used to build the 40m span bridges three-dimensional model,the height of ribbed slab platform is 8,10,12,14m respectively,the mechanical characteristics of the structure above on ribbed slab stage under the action of the partial load of the car,the crowd load,temperature load,creep and shrinkage of concrete is analyzed.Resultshowed that the effect of load is at constant,with the increase of the abutment height hat along the bridge to the displacement decreases,the growing rate of the transverse stress is increase with 3%.

rib-plate-shaped bridgeabutment；maximum displacement；aximum principal tensile stress

U45

A

1003-5168（2017）10-0114-03

2017-09-02

張涵（1982-）男，本科，工程師，研究方向：橋梁與隧道。