張 涵 趙香玲 王安東

橋臺(tái)高度對(duì)肋板式橋臺(tái)受力特性的影響

張 涵1趙香玲2王安東2

（1.中鐵一局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712021；2.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714099）

基于對(duì)運(yùn)營(yíng)8m以上有裂縫的橋臺(tái)調(diào)查，總結(jié)出橋臺(tái)高度對(duì)橋臺(tái)的影響比較敏感，因此分析橋臺(tái)高度對(duì)肋板式橋臺(tái)力學(xué)特性的影響就比較有工程實(shí)際價(jià)值。針對(duì)8m以上運(yùn)營(yíng)肋板橋臺(tái)出現(xiàn)裂縫的情況，利用有限元軟件Midas/Civil建立40m跨徑橋梁，肋板橋臺(tái)高度分別為8、10、12、14m，基于此分析在汽車(chē)中載、偏載、人群荷載、溫度荷載、混凝土收縮徐變作用下肋板橋臺(tái)上部結(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)力以3%的增幅增大。

肋板式橋臺(tái)；最大位移；最大主拉應(yīng)力

高速公路經(jīng)過(guò)丘陵和山區(qū)時(shí)，為了滿足高速公路的平縱設(shè)計(jì)要求，采用橋梁實(shí)現(xiàn)線路平緩，從而出現(xiàn)了較多高橋臺(tái)。通過(guò)對(duì)運(yùn)營(yíng)橋梁橋臺(tái)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)橋臺(tái)高度在8m以下的運(yùn)營(yíng)良好；而橋臺(tái)高度大于8m的在橋臺(tái)臺(tái)帽跨中底部、臺(tái)帽與肋板接觸處包括臺(tái)帽頂和承臺(tái)底部也出現(xiàn)了不同程度的開(kāi)裂，破壞了橋臺(tái)的整體性，嚴(yán)重影響其運(yùn)營(yíng)安全。

孫治國(guó)［1］通過(guò)運(yùn)用有限元分析研究了高原大橋臺(tái)的地震破壞機(jī)理；祝志文［2］通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法數(shù)值模擬橋臺(tái)局部沖刷，對(duì)橋臺(tái)穩(wěn)定性進(jìn)行分析；賀薇［3］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試?yán)甙鍢蚺_(tái)背后填土?xí)r橋臺(tái)水平位移，得出填土?xí)r分層鋪設(shè)土工格柵可以有效控制橋臺(tái)水平位移。在對(duì)橋臺(tái)穩(wěn)定性各種因素的研究中，對(duì)大跨徑高橋臺(tái)研究較少。本文對(duì)跨徑為40m，橋臺(tái)高度分別為8、10、12、14m的肋板橋臺(tái)進(jìn)行研究。

1 橋梁結(jié)構(gòu)選取

1.1 上部結(jié)構(gòu)的選取

上部結(jié)構(gòu)采用跨徑40m的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁，橋面單幅寬12.75m，雙車(chē)道、荷載為公路-I級(jí)，上部結(jié)構(gòu)采用C50混凝土。橋斷面由6T梁組成，為了使各片T量相互聯(lián)系，兩片T梁之間添加H×B=0.3m×2.5m的橫向虛梁。T梁具體尺寸如圖1所示，主梁跨中橫截面如圖2所示。

圖1 40mT梁截面尺寸（單位：mm）

圖2 主梁跨中橫斷面圖（單位：mm）

1.2 下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)的選取

本文所選用肋板式橋臺(tái)，肋板橋臺(tái)高分別選取8、10、12、14m，采用4端承樁做其基礎(chǔ)，橋臺(tái)兩肋板通過(guò)啞鈴形承臺(tái)與端承樁連接，肋板上部由臺(tái)帽連接背墻和耳墻。整個(gè)肋板橋臺(tái)采用C30混凝土、鋼筋采用HRB335，承臺(tái)與端承樁全部埋入土中。填土均為沙土，填土的內(nèi)摩擦角φ=30°，填土容重為γ=18kN/m3，臺(tái)前溜坡坡度取1∶1.5。由于肋板橋臺(tái)基礎(chǔ)采用端承樁，因此不考慮土體對(duì)其產(chǎn)生的土壓力影響。肋板橋臺(tái)三維構(gòu)造如圖3所示。

2 不同橋臺(tái)高度下橋臺(tái)各個(gè)部位的土壓力計(jì)算

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》條文說(shuō)明第4.2.3條規(guī)定為：

圖3 肋板式橋臺(tái)三維圖

式（1）中，h為汽車(chē)荷載的等代均布土層厚度（m）；∑G為布置在B×l0面積內(nèi)的車(chē)輪的總重力（kN）；B為橋臺(tái)橫向全寬（m）；l0為橋臺(tái)后填土的破壞棱體長(zhǎng)度，l0=H×tanθ（m）（其中θ為破壞棱體破裂面與豎直線之間的夾角，H為計(jì)算土層高度（m））；γ為土的容重。

式（2）中：α為橋臺(tái)與豎直面的夾角，α=0°。

式（3）中ω為計(jì)算夾角；δ為臺(tái)背與填土間的摩擦角，一般取=15°；φ為土的內(nèi)摩擦角。

土壓力系數(shù)按規(guī)范4.2.3條：

式（4）中，μ為土壓力系數(shù)；β為填土表面與水平面夾角，β=0°，其余符號(hào)意義見(jiàn)上述。

臺(tái)帽背墻頂至臺(tái)帽底高度范圍內(nèi)的土壓力為：

式（5）（6）中，E為主動(dòng)土壓力（kN）；C為主動(dòng)土壓力的著力點(diǎn)，其余符號(hào)意義見(jiàn)上述。對(duì)臺(tái)身頂?shù)牧εㄖ鲃?dòng)土壓力的著力點(diǎn)自計(jì)算土層底面算起）臺(tái)帽背墻頂至臺(tái)帽底高度范圍內(nèi)的土壓力對(duì)臺(tái)身頂?shù)耐翂毫澗兀∕）為：

計(jì)算上部結(jié)構(gòu)時(shí)按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》4.3.6條規(guī)定，計(jì)算汽車(chē)制動(dòng)對(duì)40m跨徑橋梁產(chǎn)生的荷載。不同橋臺(tái)高度各部位土壓力計(jì)算見(jiàn)表1。

3 三維空間模型有限元分析

運(yùn)用有限元軟件Midas/Civil分別對(duì)跨徑為40m的簡(jiǎn)支T梁橋分別在中載和偏載下對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，考慮溫度荷載和收縮徐變的影響。對(duì)肋板式橋臺(tái)頂部沿道路縱向間隔0.4m、縱向?qū)挾?m進(jìn)行網(wǎng)格劃分。三維模型如圖4所示。

表1 不同臺(tái)高時(shí)橋臺(tái)各個(gè)部位的土壓力

圖4 40m跨徑T梁橋三維效果

3.1 不同橋臺(tái)高度橋臺(tái)中載作用下受力特性

運(yùn)用Midas/Civil數(shù)值模擬分析橋臺(tái)受力時(shí)，將上部結(jié)構(gòu)荷載轉(zhuǎn)化為施加在支座墊石上。橋臺(tái)主要承受沿橋線路切線方向土壓力和垂直于橋面方向的支座反力，沿橋線路切線方向設(shè)為Y方向，橫橋向?yàn)閄、垂直橋面為Z方向。在靜荷載作用下對(duì)不同高度的肋板橋臺(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，重點(diǎn)選取承臺(tái)、臺(tái)身頂面、地面、臺(tái)身中點(diǎn)、臺(tái)身、臺(tái)帽中點(diǎn)和邊緣節(jié)點(diǎn)，共選取22個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位移應(yīng)力分析。DY為肋板橋臺(tái)順切線位移、SXX為橫向軸應(yīng)力、SYY為順向軸力、SZZ為垂直軸向應(yīng)力、P1為最大主拉應(yīng)力。

隨著橋臺(tái)高度的變化，在相同節(jié)點(diǎn)處最大主拉應(yīng)力變化不顯著。但在肋板頂部和臺(tái)帽底部?jī)?nèi)側(cè)，變化較為突出，在肋板頂部14m高橋臺(tái)最大主應(yīng)力大于8m高橋臺(tái)的主應(yīng)力。最大主應(yīng)力達(dá)1.75N/mm2，且臺(tái)帽跨中出現(xiàn)的最大拉主應(yīng)力小于C30混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，如圖5所示。

分析SZZ曲線可知：不同高度橋臺(tái)的承臺(tái)到臺(tái)帽均處于受壓狀態(tài)，且承臺(tái)跨中區(qū)域各節(jié)點(diǎn)處壓力隨橋臺(tái)高度變化影響不大；臺(tái)帽跨中部位垂直軸向應(yīng)力較大，橋臺(tái)高度14、8m臺(tái)帽跨中壓力大于12、10m高度跨中壓應(yīng)力。

3.2 不同橋臺(tái)高度橋臺(tái)偏載載作用下的受力特性

比較分析不同高度橋臺(tái)在受偏載時(shí)SZZ曲線圖得出：垂直于橋面軸向應(yīng)力，在承臺(tái)、臺(tái)帽和背墻底部局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，由于混凝土抗拉強(qiáng)度較小，因此兩肋板均處于受壓狀態(tài)，8、10、12、14m高度橋臺(tái)最大壓應(yīng)力分別為9.90、9.44、9.93、9.45MPa。

分析偏載時(shí)作用下不同高度橋臺(tái)最大主應(yīng)力變化曲線圖，得知其最大值出現(xiàn)在橋臺(tái)臺(tái)帽底部中間、肋板頂接觸的臺(tái)帽頂部、背墻底部和承臺(tái)底部等位置，且8、10、12、14m各最大主應(yīng)力分別為2.74、2.86、2.84、2.92MPa，且各處最大主應(yīng)力均大于C30混凝土的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度值2.01MPa。

圖5 中載作用下節(jié)點(diǎn)位移應(yīng)力變化曲線圖

4 結(jié)論

通過(guò)討論跨徑為40m橋梁，在橋臺(tái)高度分別為8、10、12、14m，中載和偏載荷載作用下，荷載和臺(tái)高對(duì)肋板橋臺(tái)受力特性的影響，得出以下結(jié)論：

①橋臺(tái)高度相同時(shí)，中載和偏載對(duì)臺(tái)帽DY位移影響不大；作用荷載不變時(shí)，隨橋臺(tái)增高，臺(tái)帽DY位移逐漸減小，且各特征節(jié)點(diǎn)處位移均小于0.5 L；

②肋板最大拉P1均發(fā)生在靠近橋跨方向與樁基接觸的正上方，且隨橋臺(tái)高度的增大而增大；橋臺(tái)高度為12m時(shí)其最大主應(yīng)力拉應(yīng)力大于臺(tái)高為10m時(shí)最大主拉應(yīng)力，且隨肋板厚度的增加其值有所減小。

［1］孫治國(guó)，王東升，張蓓，等.高原大橋橋臺(tái)地震破壞機(jī)理與抗震措施分析［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2012（4）：79-87.

［2］祝志文，喻鵬，劉震卿.橋臺(tái)局部沖刷形態(tài)的CFD動(dòng)態(tài)仿真［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2014（3）：103-111.

［3］賀薇，王保田.肋板式橋臺(tái)填土期間的土壓力和橋臺(tái)位移的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2017（6）：32-35.

Influence of Abutment Height on the Ribbed Slab Abutment Stress Characteristic

Zhang Han1Zhao Xiangling2Wang Andong2
（1.The Fourth Engineering of China Railway First Group Co.Ltd.，Xianyang Shaanxi 712021；2.Shaanxi Railway Institute，Weinan Shaanxi 714099）

Based on the investigation of abutment that the hight is more than 8m crack,it is summed up that the influence of the abutment height on abutment is sensitive,therefore,the analysis of the mechani?cal properties height of the abutment on ribbed plate type abutment is practical engineering value.For the problem that the ribbed plate-type abutment is more than 8m and in operating with crack,the finite ele?ment software Midas/Civil is used to build the 40m span bridges three-dimensional model,the height of ribbed slab platform is 8,10,12,14m respectively,the mechanical characteristics of the structure above on ribbed slab stage under the action of the partial load of the car,the crowd load,temperature load,creep and shrinkage of concrete is analyzed.Resultshowed that the effect of load is at constant,with the increase of the abutment height hat along the bridge to the displacement decreases,the growing rate of the transverse stress is increase with 3%.

rib-plate-shaped bridgeabutment；maximum displacement；aximum principal tensile stress

U45

A

1003-5168（2017）10-0114-03

2017-09-02

張涵（1982-）男，本科，工程師，研究方向：橋梁與隧道。