劉 輝，張 策

(重慶交通大學(xué))

淺析大縱坡梁橋墩頂偏位影響因素

劉 輝，張 策

(重慶交通大學(xué))

以李家灣大橋為工程依托，采用大型有限元軟件ABAQUS建立實體模型，選取橋墩高度、橋梁縱坡、支座摩擦系數(shù)三個影響因素對橋墩偏位及其內(nèi)力進(jìn)行分析，為類似橋梁的合理設(shè)計提供參考。

大縱坡梁橋;橋墩高度;縱坡;摩擦因素;墩頂偏位

1 前言

大縱坡的簡直變連續(xù)梁橋成橋后通常發(fā)現(xiàn)分聯(lián)處橋墩由于發(fā)生較大的墩頂偏位，橋墩處出現(xiàn)支座滑移、墩柱底部出現(xiàn)較多環(huán)向裂縫等病害現(xiàn)象。因此，大縱坡簡直變連續(xù)梁橋分聯(lián)處橋墩墩頂偏位現(xiàn)象影響因素的分析對此類橋梁的設(shè)計及其修建提供很重要的參考價值。

2 工程概況

李家灣大橋是一座修建在石忠高速上的雙幅梁橋。左、右幅橋梁全長均為262 m。本橋平面位于R=1244.309 m的圓曲線上。左、右幅橋梁跨徑組合均為2聯(lián)4×30.00 m。單幅橋橋面寬12.25 m，橫橋向布置為:0.50 m(防撞護(hù)欄)+11.25 m(車行道)+0.50 m(防撞護(hù)欄)。左、右幅橋上部結(jié)構(gòu)均采用8×30.00 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁，30.00 mT梁高2.00 m，馬蹄寬0.45 m，腹板寬0.20 m，單幅橋橫向布置5片梁，主梁間設(shè)橫隔梁。下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩、樁基礎(chǔ)，橋臺采用U型橋臺、擴(kuò)大基礎(chǔ)。

預(yù)制T梁、鉸接縫、整體化現(xiàn)澆橋面板和封錨段均采用C50混凝土;下部構(gòu)造固接墩支承梁及高墩墩身采用C40混凝土，墩帽、臺帽、墩柱、系梁等采用C30混凝土，“U”型臺臺帽、樁基、承臺等采用C25混凝土?！癠”型橋臺臺身及基礎(chǔ)采用C20片石混凝土。

圖1 李家灣大橋立面圖

3 工程問題

李家灣大橋是一座先簡支后連續(xù)的橋梁，橋梁分左、右幅，縱坡達(dá)4%。L4#墩及R4#墩分別為左、右幅分聯(lián)處橋墩，其上各設(shè)置有兩排盆式橡膠支座，該墩均為雙柱式圓柱墩。在完工后發(fā)現(xiàn)L4#墩及R4#墩兩墩柱底部均發(fā)現(xiàn)冷水側(cè)存有間距均勻分布的環(huán)向裂縫，且兩墩支座上部蓋板均向冷水側(cè)滑移，主要的病害如表1所示。該橋L4#墩、R4#墩均存在不同程度的頂部向忠縣方向偏移的現(xiàn)象，其中R4#墩偏移量更大，而現(xiàn)場檢查與兩墩相鄰的L3#墩/L5#墩及 R3#墩/R5#墩頂支座，均未發(fā)現(xiàn)類似支座滑移的現(xiàn)象。4#墩底部樁基較短且為端承樁(10.50 m)，墩柱高達(dá)40.00 m。

表1 主要病害統(tǒng)計

4 有限元模型分析計算

以李家灣大橋為工程依托，采用用強(qiáng)大的工程模擬有限元軟件ABAQUS對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，為了對分聯(lián)處橋墩的墩頂偏位影響因素的研究，更直觀查看應(yīng)力及變形結(jié)果，有限元模型采用實體單元(20個節(jié)點的減縮積分單元3D20R)，并選取墩頂偏移量最大的4#墩相鄰兩跨作為研究對象，ABAQUS的有限元模型圖如圖2所示。

圖2 ABAQUS有限元模型

4.1 材料特性

李家灣大橋主梁采用C50混凝土，橋墩采用C40混凝土，相應(yīng)的材料特性如表2所示。

表2 李家灣大橋材料性質(zhì)

4.2 邊界條件

實體單元3D20R有三個自由度，有限元模型當(dāng)中固結(jié)2#墩底。由于分聯(lián)處橋墩頂?shù)钠剖茄芯康闹攸c，1#墩和3#墩的墩頂自由度被約束，使其不產(chǎn)生墩頂位移，并利用ABAQUS有限元分析軟件中的的“襯套”通過定義各方向上的剛度，以及摩擦系數(shù)來仿真模擬支座在橋墩和主梁之間的作用。

4.3 墩頂偏位影響因素分析

(1)墩柱高度對墩頂偏位影響

李家灣大橋是一座大縱坡坡橋，上部結(jié)構(gòu)所受荷載傳遞到橋墩時由于大坡度的存在水平力無法平衡，使得分聯(lián)處的橋墩受力更加的不利，且其受墩高影響更敏感。本文采用大型有限元分析軟件ABAQUS分別建立25 m、35 m、45 m高的橋墩實體模型，計算墩頂在自重作用下的墩頂偏位以及橋墩截面的受力，研究高度對墩頂偏位的影響。分析數(shù)據(jù)如表3。

表3 橋墩不同高度下的墩底彎矩、主拉應(yīng)力、墩頂水平偏位

從表可知，橋墩高度45 m時，墩底受力最大，橋墩墩頂偏位達(dá)到26.3 cm，底部主拉應(yīng)力達(dá)到8.23 MPa，引起混凝土開裂。墩底受力和墩頂偏位隨著墩高增大變化顯著。

(2)縱坡坡度對墩頂偏位影響

對于較大縱坡簡支變連續(xù)梁橋來說，其上部結(jié)構(gòu)部分重力轉(zhuǎn)化為水平推力作用在橋墩土，導(dǎo)致橋墩在施工的過程和成橋狀態(tài)下受力的不利狀態(tài)，分別選取了0、2%、4%縱坡坡度大小的對橋墩進(jìn)行分析，結(jié)果如表4。

表4 橋墩不同高度下的墩底彎矩、主拉應(yīng)力、墩頂水平偏位

由表4分析數(shù)據(jù)可知，當(dāng)縱坡坡度為2%時，橋墩墩頂偏位達(dá)到14.49 cm，墩底主拉應(yīng)力已超過材料允許值，引起墩底的混凝土產(chǎn)生裂縫。當(dāng)坡度為4%時，橋墩出現(xiàn)了最不利的受力狀態(tài)。

(3)支座摩擦系數(shù)對墩頂偏位影響

李家灣設(shè)置盆式橡膠支座，按照《公路橋梁盆式支座》(JT/T391-2009)中的相關(guān)規(guī)定，選取摩擦系數(shù)分別為0.01、0.02、0.03時得出相應(yīng)墩頂?shù)奈灰谱兓?、墩底彎矩和墩底?yīng)力水平如表5所示。

表5 不同摩擦系數(shù)下的墩底彎矩、主拉應(yīng)力、墩頂水平偏位

由表可知，摩擦系數(shù)過小，產(chǎn)生墩底過大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土被拉裂。對支座的選用，品質(zhì)的好壞，支座摩擦系數(shù)的大小對橋墩的受力起著很大的影響作用。

4 結(jié)語

以修建在石忠高速上的雙幅梁橋李家灣大橋為工程依托，采用了有限元軟件ABAQUS探討了簡直變連續(xù)大縱坡梁橋分聯(lián)處橋墩出現(xiàn)支座滑移和墩底出現(xiàn)環(huán)向裂縫的影響因素分析研究，并選取了橋墩高度、縱坡坡度、支座摩擦因素對分聯(lián)處橋墩進(jìn)行實體建模有限元計算，得出分聯(lián)處橋墩越高，長細(xì)比大墩柱偏柔，抗彎剛度不足，導(dǎo)致墩頂偏位越大，橋墩的受力越不利，出現(xiàn)墩底環(huán)向裂縫。通過0、2%、4%縱坡坡度的選取分析，可知縱坡坡度越大，橋梁上部結(jié)構(gòu)自重荷載對橋墩產(chǎn)生的水平推力越不平衡，導(dǎo)致墩頂偏位過大和墩底大應(yīng)力的出現(xiàn)。采用限元軟件ABAQUS中的“襯套”功能真實模擬支座效應(yīng)，當(dāng)摩擦系數(shù)過小時，橋梁上部和橋墩之間的連接作用減小，支座處出現(xiàn)滑移，橋墩墩頂出現(xiàn)很大的偏移。所以在簡直變連續(xù)坡橋的設(shè)計中，橋墩高度、縱坡坡度、支座類型的選取應(yīng)配套考慮，取得一個合理的配合值，防止橋墩出現(xiàn)不利狀態(tài)。

［1］趙廣敏.先簡支后連續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)受力性能時間歷程分析［D］.北京:北京交通大學(xué)，2009:61-65.

［2］謝利寶.簡支變連續(xù)的施工方法及恒載分析［J］.江蘇交通科技，2001，4(3).

［3］上官萍等.簡支變連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用研究［J］.福州大學(xué)學(xué)報，2000，(10).

［4］趙文丁.簡支變連續(xù)橋梁的設(shè)計與施工［D］.吉林:吉林大學(xué)，2005，(5).

U448

B

1008-3383(2013)04-0077-02

2012-11-10

劉輝(1988-)，男，貴州人，碩士。