韓 緒

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的提高，為實(shí)現(xiàn)交通路網(wǎng)四通八達(dá)，高速公路網(wǎng)加密及國(guó)省干道改擴(kuò)建的重心逐漸向山區(qū)發(fā)展。受山區(qū)地形、地貌影響，高墩、大跨橋梁逐漸增多。對(duì)于山區(qū)預(yù)制結(jié)構(gòu)橋梁，高墩常采用矩形空心墩。同時(shí)由于橋墩是橋梁的主要承重結(jié)構(gòu)，直接承受上部結(jié)構(gòu)傳下的荷載，橋墩施工垂直度直接影響橋梁運(yùn)營(yíng)安全。但在施工過(guò)程中由于實(shí)際施工處理不當(dāng)?shù)仍虺霈F(xiàn)施工偏差，導(dǎo)致橋墩軸線偏位，至使橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)與設(shè)計(jì)受力狀態(tài)不吻合，從原軸心受壓狀態(tài)變?yōu)槠氖軌?，橋墩承載能力受到影響，甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重偏離的情況，直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)安全。

1 工程概況

本文以某高速公路兩跨40 m簡(jiǎn)支T梁橋?yàn)橐劳?，上部結(jié)構(gòu)采用5片預(yù)制T梁，T梁腹板中心距為2.3 m，梁高2.5 m；下部結(jié)構(gòu)橋墩采用等截面雙肢矩形空心墩，截面尺寸為3 m×2.5 m，墩高30 m，雙墩中心間距為8 m，蓋梁采用T型蓋梁，蓋梁頂部寬為3 m，底部寬為1.8 m，高為2.3 m，橋墩基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。

2 計(jì)算荷載取值

2.1 恒載取值

根據(jù)工程數(shù)量表計(jì)算得到單片主梁所需混凝土約為43 m3，混凝土容重25 KN/m3，單片主梁恒載為1 075 KN。

2.2 活載取值

本橋采用的設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級(jí)，計(jì)算梁端支反力橫向分布系數(shù)采用杠桿法(偏安全考慮，未計(jì)入多車(chē)道折減系數(shù))，3車(chē)道正載橫向分布系數(shù)計(jì)算圖如圖1所示；計(jì)算3車(chē)道正載工況下5個(gè)支座的支座反力，荷載布置圖如圖2所示。

表1 墩頂蓋梁恒載支座反力KN

圖1 3車(chē)道正載橫向分布系數(shù)計(jì)算圖

圖2 縱橋向活載布置圖

其中：η1=η5=0.5×0.6=0.3

η2=η4=0.5×(0.4+0.88+0.36)=0.82

η3=0.5×(0.12+0.64+0.64+0.12)=0.76

考慮橫向分布系數(shù)后5個(gè)支座的反力分別為：337.67 KN、312.96 KN、123.54 KN、337.67 KN。

3 有限元模型建立

3.1 計(jì)算軟件的選擇

目前結(jié)構(gòu)靜力分析相關(guān)的有限元軟件較多，其中Midas FEA為實(shí)體單元分析軟件，具有多樣化的建模方式，以及強(qiáng)大的分析功能；Midas Civil為一款建模高效的桿系單元分析。Midas Civil假定截面變形后仍保持平面，而在Midas FEA實(shí)體單元中，不再使用平截面假定，截面變形后的形狀通過(guò)截面上任意一點(diǎn)的應(yīng)變來(lái)反應(yīng)；這使得實(shí)體單元分析相對(duì)于桿系單元分析能夠更加精確模擬橋墩軸線初始缺陷，得到更為精確的計(jì)算結(jié)果，因此本文主要采用Midas FEA進(jìn)行建模。

3.2 不同偏位工況模擬

橋墩承受的荷載包含橋梁上部結(jié)構(gòu)的自重、橋墩自重以及橋梁正常情況下的汽車(chē)活動(dòng)荷載；模擬過(guò)程中支座支反力作為外荷載，蓋梁及橋墩自重荷載在有限元模型中考慮。本文針對(duì)雙柱空心墩分2個(gè)工況建立了有限元模型，總共9個(gè)計(jì)算模型，具體如下。

工況一：最大偏位出現(xiàn)在左墩距墩底20 m截面處，不同偏移量，共5種工況，有限元模型如圖3所示。

模型1：最大偏位為15 cm；模型2：最大偏位為25 cm；模型3：最大偏位為35 cm；模型4：最大偏位為45 cm；模型5：最大偏位為55 cm；

工況二：最大偏位為15 cm時(shí)，不同高度，共4種情況，有限元模型如圖4所示。

模型6：距承臺(tái)高26 m處最大偏位為15 cm；模型7：距承臺(tái)高20 m處最大偏位為15 cm；模型8：距承臺(tái)高16 m處最大偏位為15 cm；模型9：距承臺(tái)高12 m處最大偏位為15 cm。

圖3 工況一有限元模型 圖4 工況二有限元模型

4 橋墩關(guān)鍵截面承載能力計(jì)算

4.1 關(guān)鍵截面選取

結(jié)合實(shí)際情況，選取如圖5所示5個(gè)關(guān)鍵截面進(jìn)行承載能力驗(yàn)算，Z1～Z5截面分別為左側(cè)橋墩距承臺(tái)頂面26 m、22 m、20 m、16 m、12 m，Y1～Y5截面分別右側(cè)橋墩距承臺(tái)頂面26 m、22 m、20 m、16 m、12 m，截面廓尺寸為順橋向?qū)? m，橫橋向?qū)?.5 m，壁厚0.4 m。

圖5 關(guān)鍵截面選取 圖6 有限元模型網(wǎng)格劃分

4.2 關(guān)鍵截面內(nèi)力計(jì)算

通過(guò)限元軟件Midas FEA分析計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取關(guān)鍵截面Z1～Z5、Y1～Y5在兩組數(shù)值模型中的豎向軸力Fx、繞y軸彎矩My，橋墩最大軸線偏位在20 m高處不同偏位情況下各關(guān)鍵截面內(nèi)力提取結(jié)果、最大偏位量15 cm不同高度情況下關(guān)鍵截面內(nèi)力匯總分別如表2、表3所示，表中Fx以壓力為正。x軸以豎直向上為正，y軸以?xún)?nèi)側(cè)向外側(cè)方向?yàn)檎?，表中效?yīng)值已考慮荷載組合系數(shù)與結(jié)構(gòu)重要系數(shù)。

4.3 關(guān)鍵截面承載力計(jì)算

根據(jù)《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D61-2005)中第4.0.8條與第4.0.9條規(guī)定，混凝土雙向偏心受壓承載能力計(jì)算圖示如圖7；各截面偏心距e均小于允許的限值0.6 s，受壓構(gòu)件偏心距計(jì)算圖如圖8所示。

表2 工況一：最大偏位在20 m處，不同偏位關(guān)鍵截面內(nèi)力匯總

表3 工況二：最大偏位量為15 cm，不同高度關(guān)鍵截面內(nèi)力匯總

圖7 雙向偏心受壓承載能力計(jì)算圖

圖8 受壓構(gòu)件偏心距計(jì)算圖示

雙向偏心受壓構(gòu)件承載能力計(jì)算：受壓區(qū)高度和寬度按額才ecy=ey，ecx=ex確定；矩形截面偏心受壓承載力按γ0Nd≤ψfcd[(h-2ey)(b-2ex)]計(jì)算；軸心受壓構(gòu)件彎曲系數(shù)查表取ψ=0.82，fcd=22.4 MPa，橋墩軸線最大偏位在距左墩墩底20 m高處時(shí)，偏位為15 cm、25 cm、35 cm、45 cm、55 cm狀態(tài)下各截面承載能力計(jì)算結(jié)果如表4所示；最大偏位量為15 cm，不同高度26 m、20 m、16 m、10 m處關(guān)鍵截面承載能力計(jì)算結(jié)果如表4所示。根據(jù)表4作出工況一、二各自五種情況的曲線對(duì)比圖。

(1)最大偏位在距左墩墩底20 m處時(shí)，不同最大偏位量所對(duì)應(yīng)的承載能力，用于分析偏移量對(duì)承載能力的影響趨勢(shì)，如圖9所示。

(2)最大偏位量均為15 cm時(shí)，12 m、16 m、20 m、26 m四個(gè)不同高度處各關(guān)鍵截面所對(duì)應(yīng)的承載能力，用于分析偏移在橋墩豎直方向上對(duì)承載能力的影響，如圖10所示。

圖9 不同偏位量關(guān)鍵截面承載力對(duì)比圖

圖10 不同高度關(guān)鍵截面承載力對(duì)比圖

表4 工況一、二關(guān)鍵截面承載能力計(jì)算結(jié)果

5 分析與結(jié)論

根據(jù)圖9可知，橋墩軸線偏位從15 cm變化到25 cm其承載力下降1/10，25～35 cm承載力下降1/5，35～45 cm承載力下降1/4，45～55 cm承載力下降1/3；根據(jù)計(jì)算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，同一截面偏位量越大，橋墩承載能力越小，且增大相同幅度偏位，橋墩承載能力下降速度有明顯增加趨勢(shì)。

根據(jù)圖10可知，距墩底高12 m處發(fā)生15 cm偏位時(shí)，橋墩的承載力相對(duì)于距墩底高16 m處發(fā)生15 cm偏位時(shí)的承載力提高了1/50～1/10；距墩底高16 m處發(fā)生15 cm偏位時(shí)，橋墩的承載力相對(duì)于距墩底高22 m處發(fā)生15 cm偏位時(shí)的承載力提高1/100～1/50；距墩底高22 m處發(fā)生15 cm偏位時(shí)，橋墩的承載力相對(duì)于距墩底高26 m處發(fā)生15 cm偏位時(shí)的承載力提高了1/100～1/50；從計(jì)算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，不同高度橋墩軸線發(fā)生相同的偏位，隨著最大偏位截面所處位置的提高，橋墩承載能力逐步下降。

因此，對(duì)于山區(qū)高墩橋梁，在橋墩施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)橋墩垂直度監(jiān)測(cè)，盡量避免橋墩偏位情況發(fā)生，若發(fā)現(xiàn)橋墩偏位應(yīng)及時(shí)進(jìn)行糾偏處理，不能任其發(fā)展，墩高越高，偏位越大時(shí)橋墩承載能力越低。