臺后填土及橋頭跳車動力荷載作用下的扶壁式橋臺計算分析

李克磊

（寧夏公路勘察設(shè)計院有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750001）

1 引言

公路橋梁橋臺形式一般多采用柱式臺、肋板臺、薄壁臺等，在臺后填土較高且條件受限無法設(shè)置橋臺溜坡的情況下，則需采用扶壁臺或U型臺。扶壁臺作為一種輕型橋臺，相比重力式U型臺，有著結(jié)構(gòu)輕巧、造型美觀等優(yōu)點。但在計算分析扶壁臺時，由于臺身、扶壁、承臺和樁基作為一個整體參與受力，使用常規(guī)簡化計算方法一般很難得到準(zhǔn)確結(jié)果[1，2]。

橋頭跳車是公路運營過程中的常見問題，是由于路基、橋梁沉降不均而引起的在路橋銜接處發(fā)生的車輪震動現(xiàn)象。橋頭跳車不僅會影響車輛運行舒適性，降低道路服務(wù)水平，而且會增加油耗，加重橋面破損，嚴重時甚至?xí)?dǎo)致事故發(fā)生[3，4]。

因此，很有必要將橋頭跳車動力荷載的作用考慮在扶壁式橋臺計算分析當(dāng)中。以往計算研究多采用有限元軟件建立單獨橋臺模型，臺后填土通過手算土壓力施加在橋臺上，不考慮地基土和樁基礎(chǔ)的模擬[5，6]。本文將以一座實際橋梁為例，通過應(yīng)用有限元軟件MIDAS/GTS建立橋臺、地基土及臺后填土實體模型分別進行有、無橋頭跳車動力荷載作用下的受力分析，可根據(jù)橋臺關(guān)鍵部位的受力情況，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計。

2 工程概況

某高速公路跨越一座大型灌溉渠及伴渠路，采用3×30m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)。橋梁第一孔跨越伴渠路，第三孔除跨越渠道外還需同時跨越渠邊砂礫路，末號橋臺無法設(shè)置臺前溜坡，故采用扶壁式橋臺，橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置圖（cm）

本橋末號臺半幅橋臺寬13.49m，臺身凈高4.0m。扶壁是橋臺重要受力構(gòu)件，其間距一般為1/4～1/2臺身總高，扶壁厚度一般為50cm～80cm，頂?shù)讓挾雀鶕?jù)臺帽、承臺尺寸而確定[7]。本橋臺共設(shè)4道扶壁，扶壁厚0.6m，頂寬0.3m，底寬3.3m；承臺厚2.0m，下接6根直徑1.2m鉆孔灌注樁。橋臺除承臺樁基采用C30混凝土外，其余部分采用C35混凝土。橋臺立面及側(cè)面圖如圖2、圖3所示。

圖2 橋臺立面圖（cm）

圖3 橋臺側(cè)面圖（cm）

3 模型建立

通過有限元軟件MIDAS/GTS建立末號臺半幅橋臺、地基土及臺后填土三維有限元模型，橋臺和土體采用六面體單元，樁基礎(chǔ)采用梁單元，結(jié)構(gòu)與土體之間采用接觸單元模擬二者之間的界面行為，地基土細砂、泥巖和泥質(zhì)砂巖共三層及臺后填土均采用摩爾-庫倫模型進行模擬。另外，在承臺上部添加測量板單元，用以計算承臺內(nèi)力。地基土及臺后填土參數(shù)見表1，模型如圖4、圖5所示。

表1 土層參數(shù)表

圖4 扶壁臺模型圖一

圖5 扶壁臺模型圖二

4 定義施工階段及荷載取值

根據(jù)橋臺實際施工步驟，依次建立原場地初始地應(yīng)力平衡、地基土開挖、結(jié)構(gòu)施工、臺背回填、施加上部荷載和車輛運營六個施工階段。

施加上部荷載為上部結(jié)構(gòu)自重換算為均布壓力作用在臺帽；車輛運營階段臺后汽車荷載產(chǎn)生的土壓力采用車輛荷載換算成等代均布土層厚度，再轉(zhuǎn)化為均布壓力作用于臺后填土上。而有橋頭跳車情況下的臺后車輛動力荷載則可根據(jù)動力荷載沖擊系數(shù)得出最大軸重，再將最大軸重換算為等代均布壓力作用于臺后填土上[8]。

因此，無橋頭跳車時，按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015），臺后破壞棱體長度l0=5.0m 范圍內(nèi)的等代均布壓力為[9]：

橋頭發(fā)生跳車時，假定車輛以較低速度30km/h 運行，車輛下橋時前后兩個后軸的豎向荷載沖擊系數(shù)與跳車高度關(guān)系見表2[10]。

表2 車輪豎向動力荷載沖擊系數(shù)與跳車高度關(guān)系

當(dāng)速度V=30km/h時，后軸1的最大輪載位置距離錯臺處約2.0m，后軸2 的最大輪載位置距離錯臺處約0.4m[10]。綜合考慮，有限元建模時可將后軸2的最大輪載等代均布壓力作用于0～0.4m 范圍，將后軸1 的最大輪載等代均布壓力作用于0.4m～2.0m范圍，2.0m～5.0m范圍仍按無跳車情況考慮。因此，不同跳車高度情況下的臺后等代均布壓力計算結(jié)果見表3。

表3 等代均布壓力（kN/m3）與跳車高度關(guān)系

5 計算結(jié)果分析

按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015），正常使用極限狀態(tài)設(shè)計時汽車荷載不計沖擊力，故為了考慮橋頭跳車時的動力荷載影響，以下計算均按照承載能力極限狀態(tài)下基本組合進行。

5.1 橋臺應(yīng)力

運營階段無跳車時的橋臺順橋向、橫橋向應(yīng)力云圖如圖6、圖7所示。由于臺帽、臺身、耳墻和扶壁組合為整體結(jié)構(gòu)相互約束并參與受力，有效地使臺身應(yīng)力發(fā)生分散，使橋臺基本處于受壓狀態(tài)，拉應(yīng)力不大，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在臺身頂面與耳墻交界位置。橋臺在不同跳車高度情況下的最大拉應(yīng)力計算結(jié)果見表4。

圖6 無跳車時順橋向橋臺應(yīng)力云圖

圖7 無跳車時橫橋向橋臺應(yīng)力云圖

表4 不同跳車高度情況下橋臺應(yīng)力

由表4可知，隨著跳車高度增加，臺身、耳墻和扶壁最大拉應(yīng)力均呈增大趨勢，其中順橋向臺身最大拉應(yīng)力增大相對明顯，30mm 跳車高度情況下最大拉應(yīng)力為1.5MPa，接近C35混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值1.52MPa。

5.2 承臺、樁身內(nèi)力

根據(jù)承臺測量板單元和樁身梁單元內(nèi)力云圖，如圖8～圖11所示，可得出承臺最大彎矩和樁身最大軸力、最大彎矩。

圖8 無跳車時承臺繞橫橋向軸彎曲彎矩云圖

運營階段不同跳車高度情況下的承臺、樁身內(nèi)力計算結(jié)果見表5。

表5 不同跳車高度情況下承臺、樁身內(nèi)力

由表5可知，隨著跳車高度增加，承臺、樁身最大彎矩及最大軸力均呈增大趨勢，其中承臺繞順橋向彎曲的最大彎矩增大相對明顯。

圖9 無跳車時承臺繞順橋向軸彎曲彎矩云圖

圖10 無跳車時樁身軸力云圖

圖11 無跳車時樁身彎矩云圖

5.3 臺身、樁頂位移

運營階段不同跳車高度情況下的臺身、樁頂?shù)捻槝蛳蛭灰朴嬎憬Y(jié)果見表6。

表6 不同跳車高度情況下臺身、樁頂位移

由表6可知，隨著跳車高度增加，臺身、樁頂順橋向最大位移均呈增大趨勢，其中臺身位移增大相對明顯。

6 結(jié)語

通過建立扶壁臺、地基土和臺后填土有限元模型，根據(jù)橋頭跳車高度和車輪沖擊系數(shù)的關(guān)系，對不同跳車高度情況下的扶壁臺進行計算分析，得出以下結(jié)論：

①由于橋頭跳車高度增加引起汽車臺后等代壓力增加，橋臺應(yīng)力，承臺、樁身內(nèi)力和臺身、樁頂位移均出現(xiàn)不同程度的增加，其中對臺身順橋向應(yīng)力、扶壁橫橋向應(yīng)力和承臺繞順橋向彎曲的彎矩影響相對較大，對樁身彎矩和位移影響相對較小。

②通過橋臺的應(yīng)力分布情況，可以確定扶壁臺拉應(yīng)力較大位置即受力薄弱區(qū)，比如臺身頂面與耳墻交界位置，設(shè)計時應(yīng)針對該位置進行配筋設(shè)計，提高橋臺結(jié)構(gòu)耐久性。

③橋頭跳車作為一種常見現(xiàn)象，在對扶壁臺以及承臺、樁基進行配筋設(shè)計時，應(yīng)考慮橋頭跳車動力荷載影響，保證結(jié)構(gòu)配筋有足夠的安全富余度。