趙香玲 王豐倉(cāng)

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000)

不同高度肋板式橋臺(tái)受力分析★

趙香玲 王豐倉(cāng)

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000)

基于40 m有裂縫運(yùn)營(yíng)橋臺(tái)調(diào)查,總結(jié)出橋臺(tái)高度對(duì)肋板式橋臺(tái)的受力影響比較敏感，針對(duì)此問(wèn)題利用Midas/Civil建立肋板橋臺(tái)高度分別為8 m,10 m,12 m,14 m的40 m跨徑橋梁三維有限元分析模型。分析在汽車(chē)中載、人群荷載、溫度荷載、混凝土收縮徐變作用下肋板橋臺(tái)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性。結(jié)果表明：作用荷載不變時(shí)，隨橋臺(tái)高度增加臺(tái)帽順橋向位移逐漸減小，橫向應(yīng)力增幅達(dá)3%。

肋板式橋臺(tái),最大位移,最大主拉應(yīng)力

0 引言

作為支撐橋跨結(jié)構(gòu)傳遞橋上部恒載和活載的橋梁重要結(jié)構(gòu)橋臺(tái)，能夠抵擋路基土側(cè)向壓力防止填土滑坡和坍落，因此橋臺(tái)的穩(wěn)定性對(duì)于線路運(yùn)行的安全起著重要作用。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展需要建立更便捷的交通運(yùn)輸網(wǎng)，而交通運(yùn)輸網(wǎng)的快速構(gòu)建在穿越丘陵和山區(qū)時(shí)需要建立更大跨度的橋梁。在建立大跨度高橋臺(tái)時(shí)肋板式橋臺(tái)被廣泛運(yùn)用在橋梁設(shè)計(jì)中，在調(diào)查了諸多現(xiàn)運(yùn)營(yíng)的橋梁，發(fā)現(xiàn)肋板式橋臺(tái)高度在8 m以下運(yùn)營(yíng)良好，而橋臺(tái)高度在8 m以上時(shí)橋臺(tái)臺(tái)帽、臺(tái)帽跨中底部及臺(tái)帽頂?shù)瘸霈F(xiàn)了不同程度的開(kāi)裂甚至破壞，有的甚至嚴(yán)重影響橋梁運(yùn)營(yíng)安全。

目前對(duì)于上述問(wèn)題已有一定的研究，孫治國(guó)[1]基于pushover靜力分析技術(shù)模擬在主梁撞擊下的破壞，通過(guò)不同有限元假定模擬橋臺(tái)破壞得出了通過(guò)給橋臺(tái)混凝土中配置一定量分布的鋼筋可以有效減小橋臺(tái)的破壞。

祝志文[2]基于現(xiàn)有半圓形橋臺(tái)，運(yùn)用CFD流體力學(xué)的方法數(shù)值模擬沖刷發(fā)展過(guò)程中，橋臺(tái)周?chē)鷱?fù)雜三維流場(chǎng)分析橋臺(tái)局部受到的沖刷。

賀薇[3]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試?yán)甙鍢蚺_(tái)在其背后填土作用橋臺(tái)水平位移變化數(shù)值，得出橋臺(tái)背側(cè)填土采用土工格柵分層鋪設(shè)的方法可以有效控制橋臺(tái)發(fā)生水平位移變化值。諸多對(duì)橋臺(tái)穩(wěn)定性各種因素的研究中[4-9]，目前諸多研究關(guān)于橋臺(tái)高度對(duì)肋板橋臺(tái)的影響較少，為此設(shè)計(jì)不同橋臺(tái)高度的有限元模型研究橋臺(tái)高度對(duì)肋板橋臺(tái)的受力分析。

1 數(shù)值模型

為了簡(jiǎn)化計(jì)算橋梁上部結(jié)構(gòu)采用裝配式預(yù)應(yīng)力C50混凝土40 m跨徑T型簡(jiǎn)支梁[11]，橋面單幅寬12.75 m兩片T梁之間采用0.3 m×2.5 m橫向虛梁連接。下部結(jié)構(gòu)選取8 m，10 m，12 m和14 m肋板式橋臺(tái)，選取4根端承樁為基礎(chǔ)。肋板橋臺(tái)采用C30混凝土并配有HRB335鋼筋，橋臺(tái)與端承樁埋入土中。承臺(tái)背側(cè)填土為γ=18 kN/m3沙土，內(nèi)摩擦角φ=30°臺(tái)前坡度為1∶1.5。肋板橋臺(tái)詳細(xì)尺寸：背墻高2.5 m、背墻寬12.55 m、背墻厚0.65 m、耳墻寬2.8 m、耳墻短邊高1.35 m、耳墻長(zhǎng)邊高4.5 m、臺(tái)帽長(zhǎng)12.55 m、臺(tái)帽寬度1.7 m、臺(tái)帽高1.45 m、肋板頂邊長(zhǎng)度1.55 m、兩肋板外邊緣距離8.05 m、承臺(tái)最長(zhǎng)長(zhǎng)度9.05 m、承臺(tái)最短寬度1.5 m和承臺(tái)高度1.5 m，其他詳細(xì)尺寸見(jiàn)表1。肋板三維模型見(jiàn)圖1，40 m跨徑T梁橋示意見(jiàn)圖2，40 m橋橫截面示意圖如圖3所示。

表1 不同高度橋臺(tái)各部位的具體尺寸 m

2 土壓力計(jì)算

因肋板橋臺(tái)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中不僅承受橋梁上部結(jié)構(gòu)的汽車(chē)荷載和人群荷載，還要承受橋臺(tái)后填土產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力、橋梁上部動(dòng)荷載產(chǎn)生的土側(cè)向壓力及臺(tái)前溜坡壓力，同時(shí)忽略縱、橫向風(fēng)力、流水壓力、冰壓力、船只或漂浮物的撞擊力等。在分析橋臺(tái)北側(cè)土壓力時(shí)依據(jù)庫(kù)侖土壓力理論，在此分析過(guò)程中依據(jù)主動(dòng)土壓力計(jì)算。依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[12]：

(1)

(2)

ω=α+δ+φ

(3)

土壓力系數(shù)按規(guī)范4.2.3條：

(4)

肋板橋臺(tái)臺(tái)帽背墻土壓力為：

(5)

(6)

對(duì)橋臺(tái)身頂部力劈肋板橋臺(tái)臺(tái)帽背墻土壓力對(duì)臺(tái)身頂所受合力彎矩為：

M=E×C

(7)

上部結(jié)構(gòu)受力計(jì)算依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，忽略橋上部動(dòng)荷載對(duì)40跨徑橋梁的作用，土壓力計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同臺(tái)高時(shí)橋臺(tái)各個(gè)部位的土壓力

3 有限元分析

運(yùn)用有限元軟件Midas/Civil和Midas/FEA分別對(duì)跨徑為40簡(jiǎn)支T型梁橋，數(shù)值計(jì)算橋梁在受到上部中載作用下肋板橋臺(tái)力學(xué)性能分析[13,14]。考慮人群荷載、溫度荷載、混凝土收縮變形的影響，將動(dòng)荷載轉(zhuǎn)化為靜荷載將其施加在橋梁上部結(jié)構(gòu)，數(shù)值分析其對(duì)肋板橋臺(tái)產(chǎn)生的荷載，再將荷載等效施加在肋板橋臺(tái)上對(duì)其進(jìn)行受力力學(xué)特性分析。為了簡(jiǎn)化計(jì)算將橋梁上部結(jié)構(gòu)按照縱向和橫向?yàn)?.4×1網(wǎng)格進(jìn)行劃分。運(yùn)用有限元軟件Midas/Civil數(shù)值模擬分析，在靜荷載作用下不同高度肋板橋臺(tái)進(jìn)行線性分析，為了簡(jiǎn)化分析肋板橋臺(tái)受力數(shù)值模擬結(jié)果，選取承臺(tái)、橋臺(tái)頂面、地面、臺(tái)身中點(diǎn)、臺(tái)身、臺(tái)帽中和邊緣節(jié)點(diǎn)，選取了22個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行位移變化和應(yīng)力變化分析，節(jié)點(diǎn)詳細(xì)位置如圖4所示。DY肋板橋臺(tái)順向位移、SXX橫向軸應(yīng)力、P1最大主拉應(yīng)力，計(jì)算云圖示意見(jiàn)圖5～圖7。

3.1 順橋向橋臺(tái)的位移

橋臺(tái)高度發(fā)生變化時(shí)，肋板橋臺(tái)在中心荷載作用下順橋向橋臺(tái)位移也隨之發(fā)生變化，隨橋臺(tái)高度的增加順橋向橋臺(tái)位移也隨之減小，如圖8所示。在上部結(jié)構(gòu)所傳遞荷載不變的情況下，不同高度肋板橋臺(tái)相同位置處順橋向橋臺(tái)位移差異較大，肋板底部相比其他部位順向位移最小。分析順向位移變化曲線得出，盡管橋臺(tái)高度不同但其變化規(guī)律有相同之處，順向位移變化都是從肋板橋臺(tái)頂部向底部逐漸減小。

3.2 最大主拉應(yīng)力

橋臺(tái)高度不同對(duì)肋板橋臺(tái)各部位最大拉應(yīng)力差異不大，各節(jié)點(diǎn)最大主拉應(yīng)力變化示意圖見(jiàn)圖9。在上部靜荷載不變的情況下，不同高度橋臺(tái)肋板的不同部位最大主拉應(yīng)力差異較大，肋板橋臺(tái)頂部主拉應(yīng)力較大，其最大值達(dá)1.76 N/mm2且臺(tái)帽中點(diǎn)處P1小于C30混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

3.3 橫向應(yīng)力

隨橋臺(tái)高度不同，肋板橋臺(tái)各點(diǎn)橫向應(yīng)力變化較大示意見(jiàn)圖10。在上部結(jié)構(gòu)靜荷載不變的情況下，肋板橋臺(tái)承臺(tái)和臺(tái)帽承受壓力作用，且承臺(tái)中點(diǎn)周?chē)鷧^(qū)域各節(jié)點(diǎn)所受壓力隨橋臺(tái)高度變化不大。而臺(tái)帽處軸向壓力較大，且在橋臺(tái)中部隨橋臺(tái)高度變化肋板橋臺(tái)軸向應(yīng)力變化較大，隨高度變化隨之增大。

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用有限元軟件對(duì)跨徑為40橋梁，在中載作用下進(jìn)行數(shù)值計(jì)算得出以下結(jié)論：

1)在中載作用下肋板橋臺(tái)隨橋臺(tái)高度的增加順橋向位移隨之減小，肋板橋臺(tái)底部位移最小。

2)中載作用下橫向應(yīng)力，隨橋臺(tái)高度的變化以3%的增幅增大，而橋臺(tái)肋板最大拉主應(yīng)力隨肋板厚度增加而減小。

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The force analysis of different height of ribbedplate abutment★

Zhao Xiangling Wang Fengcang

(ShaanxiRailwayInstitute，Weinan714000，China)

Based on the investigation of the crack operation of the 40 m bridge, it is concluded that the abutment height is sensitive to the influence of ribbedplate abutment. In this paper, the three-dimensional finite element analysis model of 40 m bridge with Midas/Civil is established, to analysis 8 m,10 m,12 m,and 14 m ribbedplate abutment. Analyse the mechanical properties of the ribbedplate abutment under the influence of car load, crowd load, temperature load, creep and shrinkage of concrete. The experimental results showed that： the loading is unchanged, the cap displacement along the bridge is decreases with the abutment height increase, the lateral stress is increase with 3%.

rib-plate-shaped bridge abutment, maximum displacement, maximum principal tensile stress

1009-6825(2017)21-0132-04

2017-05-15★：陜西省渭南市科研發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2015KYJ-3-2)

趙香玲(1988- )，女，碩士，助教; 王豐倉(cāng)(1985- )，男，講師

U443.21

A