鄭秀勤 吳 鳴

(汕頭大學，廣東 汕頭 515063)

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整體式無縫橋梁非線性有限元計算模型研究

鄭秀勤 吳 鳴

(汕頭大學，廣東 汕頭 515063)

以已建整體式無縫橋梁為例，利用大型有限元軟件ABAQUS，采用理想線彈性模型，模擬橋梁主體結構，并在考慮地基初始地應力平衡下，建立了整體式無縫橋梁與臺后土體及樁周土體相互作用的三維非線性有限元計算模型，分析在自重及溫度荷載作用下整體式無縫橋梁的受力情況，通過與實橋的應力實測值和其他不同方法進行對比分析，從而驗證所提出計算模型的可行性。

整體式無縫橋梁，有限元模型，溫度荷載，受力情況

0 引言

由于溫度變化和混凝土收縮徐變等作用，橋梁結構產生伸縮變形，為了避免它對橋梁結構內力產生不利影響和保證行車順暢，故而在梁端之間和梁端及橋臺背墻之間設置伸縮縫(縱向變形縫)。伸縮縫長期暴露在大氣環(huán)境中，同時不斷遭受車輛的沖擊作用，破壞頻率較高，一般3年～5年就需要修補或更換，成本較高，同時衍生出的橋梁病害也不少：1)漏水：這是伸縮縫破壞后，直接產生的后果，水從伸縮裝置往下滲入主梁端部、支座以及下部結構的鋼筋混凝土，對橋梁結構造成腐蝕和損害；2)行車橋頭跳車：伸縮縫破壞，導致與橋臺之間出現不同高低的臺階，研究表明，臺階處高差超過1 cm，行車就會感覺到明顯的顛簸；3)橋臺破壞：漏水對橋臺混凝土結構進行腐蝕；橋頭跳車加劇了車輛沖擊荷載，加快橋臺沉降速度，反過來又會加劇橋頭跳車，形成一個惡性循環(huán)；4)交通事故：過大的橋頭跳車現象，可能導致汽車彈簧鋼板振斷等問題，造成嚴重的非人為交通事故。

針對以上問題，許多研究學者都在尋求解決方法，得到的結論是：“最好的伸縮縫結構是無伸縮縫”——Henry Derthick。相對于有伸縮縫的橋梁，其有明顯的優(yōu)勢：1)取消了伸縮裝置，方便施工，降低橋梁造價及維護費用，消除跳車現象，同時減少對橋梁的沖擊作用及減輕橋梁腐蝕現象，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，上部結構的鋼筋用量降低，同時橋臺更輕更小，下部結構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，日本的測試表明：使用整體式橋臺可以增大阻尼力。

從世界各國的發(fā)展進程來看，對于整體式無縫橋梁的建造都先于理論發(fā)展，設計計算及建造基本靠工程師的經驗，且至今國外都沒有成熟公認的設計標準，比如美國各個州對無縫橋梁的允許橋長等設計規(guī)定都不一樣，主要原因是復雜的土—結構共同作用，沒有簡便統一的計算模型，導致結構的受力性能難以計算準確，所以有必要對整體式無縫橋梁的計算模型進行深入的研究。我國國內對于臺后土壓力多采用“m”法，樁周土壓力多采用“p—y”曲線，相關研究大多數是通過ANSYS軟件進行建模分析，對于非線性研究存在缺陷，ABAQUS大型非線性有限元分析軟件對復雜的力學問題和高度非線性問題有著強大的模擬和處理能力，相信能更好地模擬整體式無縫橋梁中復雜的土—結構共同作用。

1 整體式無縫橋梁ABAQUS有限元計算模型

1.1 已建整體式無縫橋梁簡介

本文選用廣東省清遠市四九橋為實例，它是我國第一座整體式全無縫橋梁，由清遠市公路局與湖南大學土木工程學院合作，希望徹底解決橋頭跳車這一難題。廣東省清遠市位于亞熱帶海洋性季風區(qū)，氣候濕熱多雨，全年最高溫36 ℃，平均最低溫為3 ℃。四九橋是一座四跨鋼筋混凝土連續(xù)鋼構整體式橋梁，其立面圖如圖1所示，全長75.48 m，橋面寬度8.50 m，總溫度計算跨長51.48 m。全橋無一個制作，也無一道伸縮裝置，路橋連接處也沒有設縫。上部結構采用實體板梁結構，梁寬8.50 m，高0.75 m；下部結構采用雙柱式輕型橋墩，挖孔樁基礎，橋梁橫斷面如圖2所示；橋臺臺高3.80 m，橋臺下部為獨樁基礎，直徑為1.50 m，橋臺構造如圖3，圖4所示。

1.2 建立ABAQUS有限元模型

四九橋ABAQUS有限元模型如圖5所示，采用幾何部件建模，模型共有兩個部件：橋梁結構和土體。由于結構對稱，只建立了全橋半結構模型。

1.2.1 橋梁結構

橋梁結構模型如圖6所示，包括主梁、橋墩、橋臺、樁基，由于橋梁主體結構在荷載作用下的變形遠小于臺后土，樁周土的變形，整體式橋梁結構作為理想的線彈性模型，采用3D8節(jié)點實體單元進行模擬。橋梁結構各單元材料特性及參數如表1所示。

表1 橋梁結構材料參數

橋梁結構容重/kN·m-3彈性模型/MPa泊松比線膨脹系數/℃-1主梁25325000．21．0e-5橋墩、橋臺25300000．21．0e-5樁基、搭板25280000．21．0e-5

1.2.2 土體

在水平荷載作用下，一般認為水平方向上樁周約20倍樁徑范圍外的土體受到的樁的影響可忽略不計。在豎向方向上樁底以下1倍樁長范圍外的土體受到樁的影響可忽略不計。因此本文土體范圍為路堤側搭板后1倍搭板長度，橋墩側樁外20倍樁徑，樁底下1倍樁長的范圍，土體范圍如圖7所示。

土體的本構模型均采用Mohor-Coulomb模型，采用3D8節(jié)點實體單元進行模擬。根據實際土體物理力學指標及參考文獻[1]，臺后土、樁周土及路堤土的土體材料參數數據如表2所示。

表2 土體材料參數

1.2.3 邊界條件、土—結構的相互作用及荷載

模型邊界條件如下：

1)在橋梁結構對稱截面處處理為固定約束，即不允許發(fā)生任何位移；

2)為了簡化模型計算，橋墩底部直接采用固結處理；

3)土體底部采用固結處理，外側徑向約束。

土—結構之間的相互作用，通過定義接觸對接觸面的力學模型進行，充分考慮材料非線性和接觸非線性。

在本有限元模型中，荷載僅考慮結構自重以及溫度變化。由于四九橋合龍時基本是全年最低溫，為8 ℃，一年當中基本為溫升過程，而當地平均最高溫為35 ℃，故本文工況考慮為自重+30 ℃升溫。

2 有限元計算值與實測值對比分析

2.1 實測點位置

對于整體式無縫橋梁來說，橋臺與主梁結合處，橋臺與樁基連接處均為結構受力的關鍵部位，為了驗證本文所提出的ABAQUS有限元三維模型的正確性，選取參考文獻[1]中的部分測點：主梁梁端上緣，主梁梁端下緣，橋臺頂部內側，橋臺頂部外

側，樁基頂部內側，樁基頂部外側。具體位置可查閱文獻[1]的內容。為下文方便，將各測點位置用字母代替如下：主梁梁端上緣(ZLSY)，主梁梁端下緣(ZLXY)，橋臺頂部內側(QTNC)，橋臺頂部外側(QTWC)，樁基頂部內側(ZJNC)，樁基頂部外側(ZJWC)。

2.2 各位置應力值對比分析

對于整體式無縫橋梁中臺后土和樁周土的模擬，國內現在常用的兩種方法主要是“m”法和相對應的“p—y”曲線法模擬臺后水平抗力和樁側土壓力，并使用ANSYS有限元分析軟件進行建模。根據參考資料，下面同時對這兩種方法得到的計算值與實測值和本文采用的ABAQUS建模方法的計算值進行比較。

四九橋采用低溫合龍，橋梁基本上都處于溫升狀態(tài)，且在150 d～200 d之間，溫升值最大，故各位置應力值取在這段時間中最大值與計算值進行比較，比較合理。表3為各實測位置各計算值與實測值應力對比，同時與現在常用的兩種計算方法進行比較，分別是“m”法和“p—y”曲線法，均是用ANSYS進行建模的。應力值正負號規(guī)定：拉“+”，壓“-”。

表3 計算值與實測值比較

從表3結果可知：

1)對于主梁和橋臺，各計算值與實測值相對誤差都比較小，對于本文所建模型相比其他兩種方法更接近實測值，說明該ABAQUS有限元模型基本上是合理的。

2)對于樁基，各計算值與實測值相對誤差都比較大，但是都偏于安全，這是由于模型計算時都將樁周土簡化成一種類型土，而實際中的各層土體都不一樣，導致實測數據與計算值相差比較大。

3)本文采用的ABAQUS模型相對“m”法和“p—y”曲線法相對精確，可以進行更多的分析研究。

3 結語

1)本文建立的整體式無縫橋梁與臺后土體及樁周土體相互作用的三維有限元計算模型是可行的，相對ANSYS建模采用“m”法、“p—y”曲線法更精確可靠；

2)對于樁基內力可以對土體分層進行更進一步的研究。

[1] 馬 競.整體式全無縫橋梁研究與實踐[D].長沙：湖南大學,2002.

[2] 彭大文,陳曉東,袁 燕.整體式橋臺橋梁臺后土壓力的季節(jié)性變化研究[J].巖土工程學報,2003(2)：92-93.

[4] Faraji, S., Ting, J., Crovo, D., et al. Nonlinear Analysis of Integral Bridges: Finite-Element Model[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2001,127(5):454-461.

[5] 王彭彭.超長無縫橋梁整體式橋臺中樁長、樁徑對其受力性能影響的研究[J].福建質量管理，2016(1)：34-36.

Non-linear finite-element model for analysis of integral and jointless bridges

Zheng Xiuqin Wu Ming

(ShantouUniversity,Shantou515063,China)

Taking a built integral bridge for an example, 3D finite-element models of integral bridges and soils were established by using the large-scale finite element analysis software ABAQUS. The bridge structure was simulated by the ideal linear elastic model, and the initial stress balance of the foundation was also considered. In this paper, force performance of integral bridges was analyzed considering the dead load and thermal load. Comparing to the measured stress values from the built bridge, the finite-element model would be verified.

integral and jointless bridges, finite-element model, thermal load, force performance

1009-6825(2016)32-0183-03

2016-09-07

鄭秀勤(1991- )，女，在讀碩士； 吳 鳴(1975- )，男，副教授

U441

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