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        重力式U 型橋臺(tái)開裂原因

        2013-10-17 01:01:40胡皓勇朱珊瑩
        交通科技與經(jīng)濟(jì) 2013年4期
        關(guān)鍵詞:規(guī)范設(shè)計(jì)

        胡皓勇,朱珊瑩

        (1.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院,重慶 400074;2.重慶城市綜合交通樞紐(集團(tuán))有限公司,重慶 400010)

        在我國(guó)橋梁建設(shè)中,較為常見的重力式橋臺(tái)是U 形橋臺(tái),它主要由臺(tái)帽、臺(tái)身和基礎(chǔ)組成。橋臺(tái)本身多數(shù)由片石混凝土、石砌或混凝土等圬工材料建造,可以平衡臺(tái)后的土壓力。一般采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑方法施工。U 形橋臺(tái)因其臺(tái)身是由前墻和兩個(gè)側(cè)墻構(gòu)成的U 字形結(jié)構(gòu)而得名。其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單,可以用混凝土或片、塊石砌筑。缺點(diǎn)是橋臺(tái)體積和自重較大,增加對(duì)地基的要求,此外,橋臺(tái)兩側(cè)填土容易積水,結(jié)冰后凍脹,使側(cè)墻產(chǎn)生裂縫。所以橋臺(tái)采用滲水性較好的土夯填,并做好臺(tái)后排水。本文通過(guò)對(duì)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》橋臺(tái)部分各個(gè)條款進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算,并且借助專業(yè)分析軟件MIDAS FEA 的模擬計(jì)算臺(tái)后土壓力對(duì)前墻的影響,防止部分橋梁在營(yíng)運(yùn)不久出現(xiàn)的各種嚴(yán)重問(wèn)題。

        1 設(shè)計(jì)算例

        本文根據(jù)重慶市南川至貴州市道真高速公路重慶段特大橋?yàn)楣こ瘫尘?,大橋工程位于南川區(qū)大有鎮(zhèn)水源村,其跨徑布設(shè)為(85+148+85)m,橋梁起點(diǎn)樁號(hào)K22+336.962,跨中樁號(hào)K22+503,終點(diǎn)樁號(hào)K22+665.013,全長(zhǎng)326m,橋面總寬12m,橋面行車道寬11m,兩側(cè)各設(shè)0.5m 寬的防撞護(hù)欄。兩幅橋梁總面積7 488m2。道路等級(jí):高速道路;計(jì)算行車速度:80km/h。

        2 前墻計(jì)算

        U 型橋臺(tái)主要受力部分為前墻,一般對(duì)于高度較大的橋臺(tái),前墻前邊和地基的墻身的應(yīng)力通常比較大,為改善這種應(yīng)力分布狀況,使受力更合理,在較大寬度的橋臺(tái)中,在前墻的一定位置設(shè)置變形縫,橋臺(tái)質(zhì)量一般能保證,所以加寬基礎(chǔ)襟邊,同時(shí)前墻設(shè)置10∶1或者8∶1的前坡。

        2.1 土壓力的計(jì)算

        擋土結(jié)構(gòu)物上受到的土壓力和擋土結(jié)構(gòu)與填土相對(duì)位移緊密相關(guān)。一般地,可以參考《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》附錄部分,按擋墻模式計(jì)算臺(tái)背壓力。橋背填土的作用達(dá)到了主動(dòng)土壓力。一般采用朗肯主動(dòng)土壓力理論計(jì)算臺(tái)背主動(dòng)土壓力。規(guī)范中根據(jù)橋臺(tái)后有車和無(wú)車兩種情況進(jìn)行。計(jì)算得到兩種情況下土壓力作用點(diǎn)到基礎(chǔ)底面的距離,破壞棱體的長(zhǎng)度。對(duì)于臺(tái)后有車的情況,要把汽車荷載轉(zhuǎn)化為土層厚度。

        換算土層厚度

        2.2 基底應(yīng)力

        為滿足橋臺(tái)承載能力要求,對(duì)以后進(jìn)行的抗傾覆和抗滑移設(shè)計(jì)達(dá)成統(tǒng)一,對(duì)基底應(yīng)力按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算。

        式中:N為豎向力總和,∑M為作用于橋臺(tái)的水平力和豎向力對(duì)基底重心軸的彎矩,A為基礎(chǔ)底面積,W為基礎(chǔ)底面的截面抵抗矩。

        土類地基基底最大應(yīng)力pmax=231.3kPa,要求土類地基基底容許承載力[]f不小于250kPa。

        在設(shè)計(jì)中,為使橋臺(tái)的安全度更高,設(shè)計(jì)人員不能僅僅只局限于規(guī)范條文,應(yīng)該根據(jù)實(shí)際工程情況,如果地質(zhì)條件較差,對(duì)于容易塌陷的地區(qū)要保證基底應(yīng)力能夠滿足規(guī)范要求,還要驗(yàn)算前墻和背墻由于地基不均勻沉降導(dǎo)致的裂縫。

        2.3 抗滑穩(wěn)定性計(jì)算

        實(shí)際驗(yàn)算基底抗傾覆穩(wěn)定性,目的是確保橋臺(tái)不向一側(cè)傾倒,也不繞著某一軸轉(zhuǎn)動(dòng)。橋臺(tái)是繞基底受壓的最外邊緣傾覆,針對(duì)彈性軟土面的橋臺(tái)基礎(chǔ),由于基底最大受壓邊緣陷入土中,此時(shí)基底的轉(zhuǎn)軸將在受壓邊緣的內(nèi)側(cè)的某條線上。在設(shè)計(jì)中保證基底的最大應(yīng)力,基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸仍定在最大受壓邊緣。

        由《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》4.4.1 條規(guī)定

        式中:k0為墩臺(tái)基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù);y為橋臺(tái)截面重心至驗(yàn)算傾覆軸的距離,m;即距墻趾的距離;[k0]為規(guī)范規(guī)定驗(yàn)算墩臺(tái)抗傾覆和抗滑移的最小溫度系數(shù);

        計(jì)算結(jié)果:前墻基礎(chǔ)傾覆和抗滑移性均滿足《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》的要求。

        3 有限元分析

        為了計(jì)算精確,本模型通過(guò)FEA 有限元中的映射網(wǎng)格進(jìn)行規(guī)格的單元?jiǎng)澐?。單元全部使用空間四節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元。荷載采用土壓力和車輛荷載的組合,將土壓力變化規(guī)律,以面荷載的形式分別施加在前墻和側(cè)墻的背面,見圖1。

        圖1 橋臺(tái)三維實(shí)體離散模型

        橋臺(tái)各墻所受的土壓力會(huì)隨著橋臺(tái)高度增大不斷增加,因此,前墻與側(cè)墻所受水平壓力也會(huì)增加,常常在前墻和側(cè)墻的交接處出現(xiàn)拉應(yīng)力,如果在實(shí)際中橋面排水不順暢,可能導(dǎo)致臺(tái)后填土的重度增加,即而使得土壓力增加。

        本文通過(guò),“臺(tái)內(nèi)填土土壓力+汽車荷載+溫度力”工況進(jìn)行分析,見圖2~圖6。

        圖6 最大剪應(yīng)力云(單位:MPa)

        1)橋臺(tái)X軸方向應(yīng)力最大值為0.23 MPa,最小值為-0.24 MPa,最大拉應(yīng)力分布在橋臺(tái)前墻基礎(chǔ);橋臺(tái)Y軸方向應(yīng)力最大值為0.5 MPa,最小值為-0.3 MPa,最大拉應(yīng)力也分布在橋臺(tái)前墻與側(cè)墻交界處;橋臺(tái)Z軸方向應(yīng)力最大值為0.3 MPa,最小值為-0.7 MPa,最大拉應(yīng)力分布在橋臺(tái)前墻與地基交界處,分布范圍較??;橋臺(tái)范梅塞斯應(yīng)力最大值為0.8 MPa,最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在前墻和基礎(chǔ)交接處;橋臺(tái)第三主應(yīng)力最小值為-1.8 MPa,最大主壓應(yīng)力分布在橋臺(tái)前墻與錐坡交界處。

        2)從應(yīng)力分布趨勢(shì)來(lái)看,如果地基發(fā)生沉降,橋臺(tái)前墻與側(cè)墻交界處最容易開裂,由于前墻的剛度比側(cè)墻剛度大,開裂起始位移會(huì)從側(cè)墻開始,由內(nèi)側(cè)向外側(cè)沿著45°方向擴(kuò)展,直到裂縫貫穿側(cè)墻,若不采取措施,裂縫將由橋臺(tái)臺(tái)帽位置向下繼續(xù)發(fā)展,直到前墻與側(cè)墻分開。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        從計(jì)算結(jié)果來(lái)看,汽車荷載產(chǎn)生的效應(yīng)最為顯著,土壓力次之。現(xiàn)有車流量大,重載、超載嚴(yán)重,再加上橋面排水不順暢,雨水順著橋頭搭板的裂隙進(jìn)入橋臺(tái),由于臺(tái)后填土透水性較差,填土遇水膨脹,對(duì)橋臺(tái)側(cè)墻和前墻產(chǎn)生向外的推力,這些原因都有可能導(dǎo)致橋臺(tái)開裂的原因。

        本文嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范條款進(jìn)行分析計(jì)算,為確保橋梁橋臺(tái)結(jié)構(gòu)滿足使用要求,提高橋梁橋臺(tái)的安全性和耐久性,在對(duì)公路橋梁橋臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),要求設(shè)計(jì)人員和現(xiàn)場(chǎng)施工人員根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范及其施工規(guī)范總和考慮地質(zhì)水文條件和結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)等,以滿足規(guī)范的要求。并且通過(guò)有限元分析計(jì)算,分析出橋臺(tái)后的填土產(chǎn)生的土壓力對(duì)橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全性有著重要的影響。因此,在以后的設(shè)計(jì)中一定要考慮較大的土壓力作用。但是在橋臺(tái)設(shè)計(jì)中仍存在一些問(wèn)題需要研究,如在活載的選擇上,使用車輛荷載和車道荷載的選擇上是需要進(jìn)一步研究的。

        [1]JTG D60-2004 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

        [2]GB50007-2002 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2002.

        [3]柳艷紅.淺談公路橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].北方交通,2010(4):142-143.

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