李克磊

（寧夏公路勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750001）

1 引言

公路橋梁橋臺(tái)形式一般多采用柱式臺(tái)、肋板臺(tái)、薄壁臺(tái)等，在臺(tái)后填土較高且條件受限無法設(shè)置橋臺(tái)溜坡的情況下，則需采用扶壁臺(tái)或U型臺(tái)。扶壁臺(tái)作為一種輕型橋臺(tái)，相比重力式U型臺(tái)，有著結(jié)構(gòu)輕巧、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)。但在計(jì)算分析扶壁臺(tái)時(shí)，由于臺(tái)身、扶壁、承臺(tái)和樁基作為一個(gè)整體參與受力，使用常規(guī)簡(jiǎn)化計(jì)算方法一般很難得到準(zhǔn)確結(jié)果[1，2]。

橋頭跳車是公路運(yùn)營過程中的常見問題，是由于路基、橋梁沉降不均而引起的在路橋銜接處發(fā)生的車輪震動(dòng)現(xiàn)象。橋頭跳車不僅會(huì)影響車輛運(yùn)行舒適性，降低道路服務(wù)水平，而且會(huì)增加油耗，加重橋面破損，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致事故發(fā)生[3，4]。

因此，很有必要將橋頭跳車動(dòng)力荷載的作用考慮在扶壁式橋臺(tái)計(jì)算分析當(dāng)中。以往計(jì)算研究多采用有限元軟件建立單獨(dú)橋臺(tái)模型，臺(tái)后填土通過手算土壓力施加在橋臺(tái)上，不考慮地基土和樁基礎(chǔ)的模擬[5，6]。本文將以一座實(shí)際橋梁為例，通過應(yīng)用有限元軟件MIDAS/GTS建立橋臺(tái)、地基土及臺(tái)后填土實(shí)體模型分別進(jìn)行有、無橋頭跳車動(dòng)力荷載作用下的受力分析，可根據(jù)橋臺(tái)關(guān)鍵部位的受力情況，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)。

2 工程概況

某高速公路跨越一座大型灌溉渠及伴渠路，采用3×30m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)。橋梁第一孔跨越伴渠路，第三孔除跨越渠道外還需同時(shí)跨越渠邊砂礫路，末號(hào)橋臺(tái)無法設(shè)置臺(tái)前溜坡，故采用扶壁式橋臺(tái)，橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置圖（cm）

本橋末號(hào)臺(tái)半幅橋臺(tái)寬13.49m，臺(tái)身凈高4.0m。扶壁是橋臺(tái)重要受力構(gòu)件，其間距一般為1/4～1/2臺(tái)身總高，扶壁厚度一般為50cm～80cm，頂?shù)讓挾雀鶕?jù)臺(tái)帽、承臺(tái)尺寸而確定[7]。本橋臺(tái)共設(shè)4道扶壁，扶壁厚0.6m，頂寬0.3m，底寬3.3m；承臺(tái)厚2.0m，下接6根直徑1.2m鉆孔灌注樁。橋臺(tái)除承臺(tái)樁基采用C30混凝土外，其余部分采用C35混凝土。橋臺(tái)立面及側(cè)面圖如圖2、圖3所示。

圖2 橋臺(tái)立面圖（cm）

圖3 橋臺(tái)側(cè)面圖（cm）

3 模型建立

通過有限元軟件MIDAS/GTS建立末號(hào)臺(tái)半幅橋臺(tái)、地基土及臺(tái)后填土三維有限元模型，橋臺(tái)和土體采用六面體單元，樁基礎(chǔ)采用梁?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)與土體之間采用接觸單元模擬二者之間的界面行為，地基土細(xì)砂、泥巖和泥質(zhì)砂巖共三層及臺(tái)后填土均采用摩爾-庫倫模型進(jìn)行模擬。另外，在承臺(tái)上部添加測(cè)量板單元，用以計(jì)算承臺(tái)內(nèi)力。地基土及臺(tái)后填土參數(shù)見表1，模型如圖4、圖5所示。

表1 土層參數(shù)表

圖4 扶壁臺(tái)模型圖一

圖5 扶壁臺(tái)模型圖二

4 定義施工階段及荷載取值

根據(jù)橋臺(tái)實(shí)際施工步驟，依次建立原場(chǎng)地初始地應(yīng)力平衡、地基土開挖、結(jié)構(gòu)施工、臺(tái)背回填、施加上部荷載和車輛運(yùn)營六個(gè)施工階段。

施加上部荷載為上部結(jié)構(gòu)自重?fù)Q算為均布?jí)毫ψ饔迷谂_(tái)帽；車輛運(yùn)營階段臺(tái)后汽車荷載產(chǎn)生的土壓力采用車輛荷載換算成等代均布土層厚度，再轉(zhuǎn)化為均布?jí)毫ψ饔糜谂_(tái)后填土上。而有橋頭跳車情況下的臺(tái)后車輛動(dòng)力荷載則可根據(jù)動(dòng)力荷載沖擊系數(shù)得出最大軸重，再將最大軸重?fù)Q算為等代均布?jí)毫ψ饔糜谂_(tái)后填土上[8]。

因此，無橋頭跳車時(shí)，按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015），臺(tái)后破壞棱體長(zhǎng)度l0=5.0m 范圍內(nèi)的等代均布?jí)毫閇9]：

橋頭發(fā)生跳車時(shí)，假定車輛以較低速度30km/h 運(yùn)行，車輛下橋時(shí)前后兩個(gè)后軸的豎向荷載沖擊系數(shù)與跳車高度關(guān)系見表2[10]。

表2 車輪豎向動(dòng)力荷載沖擊系數(shù)與跳車高度關(guān)系

當(dāng)速度V=30km/h時(shí)，后軸1的最大輪載位置距離錯(cuò)臺(tái)處約2.0m，后軸2 的最大輪載位置距離錯(cuò)臺(tái)處約0.4m[10]。綜合考慮，有限元建模時(shí)可將后軸2的最大輪載等代均布?jí)毫ψ饔糜?～0.4m 范圍，將后軸1 的最大輪載等代均布?jí)毫ψ饔糜?.4m～2.0m范圍，2.0m～5.0m范圍仍按無跳車情況考慮。因此，不同跳車高度情況下的臺(tái)后等代均布?jí)毫τ?jì)算結(jié)果見表3。

表3 等代均布?jí)毫Γ╧N/m3）與跳車高度關(guān)系

5 計(jì)算結(jié)果分析

按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015），正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)汽車荷載不計(jì)沖擊力，故為了考慮橋頭跳車時(shí)的動(dòng)力荷載影響，以下計(jì)算均按照承載能力極限狀態(tài)下基本組合進(jìn)行。

5.1 橋臺(tái)應(yīng)力

運(yùn)營階段無跳車時(shí)的橋臺(tái)順橋向、橫橋向應(yīng)力云圖如圖6、圖7所示。由于臺(tái)帽、臺(tái)身、耳墻和扶壁組合為整體結(jié)構(gòu)相互約束并參與受力，有效地使臺(tái)身應(yīng)力發(fā)生分散，使橋臺(tái)基本處于受壓狀態(tài)，拉應(yīng)力不大，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在臺(tái)身頂面與耳墻交界位置。橋臺(tái)在不同跳車高度情況下的最大拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表4。

圖6 無跳車時(shí)順橋向橋臺(tái)應(yīng)力云圖

圖7 無跳車時(shí)橫橋向橋臺(tái)應(yīng)力云圖

表4 不同跳車高度情況下橋臺(tái)應(yīng)力

由表4可知，隨著跳車高度增加，臺(tái)身、耳墻和扶壁最大拉應(yīng)力均呈增大趨勢(shì)，其中順橋向臺(tái)身最大拉應(yīng)力增大相對(duì)明顯，30mm 跳車高度情況下最大拉應(yīng)力為1.5MPa，接近C35混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.52MPa。

5.2 承臺(tái)、樁身內(nèi)力

根據(jù)承臺(tái)測(cè)量板單元和樁身梁?jiǎn)卧獌?nèi)力云圖，如圖8～圖11所示，可得出承臺(tái)最大彎矩和樁身最大軸力、最大彎矩。

圖8 無跳車時(shí)承臺(tái)繞橫橋向軸彎曲彎矩云圖

運(yùn)營階段不同跳車高度情況下的承臺(tái)、樁身內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 不同跳車高度情況下承臺(tái)、樁身內(nèi)力

由表5可知，隨著跳車高度增加，承臺(tái)、樁身最大彎矩及最大軸力均呈增大趨勢(shì)，其中承臺(tái)繞順橋向彎曲的最大彎矩增大相對(duì)明顯。

圖9 無跳車時(shí)承臺(tái)繞順橋向軸彎曲彎矩云圖

圖10 無跳車時(shí)樁身軸力云圖

圖11 無跳車時(shí)樁身彎矩云圖

5.3 臺(tái)身、樁頂位移

運(yùn)營階段不同跳車高度情況下的臺(tái)身、樁頂?shù)捻槝蛳蛭灰朴?jì)算結(jié)果見表6。

表6 不同跳車高度情況下臺(tái)身、樁頂位移

由表6可知，隨著跳車高度增加，臺(tái)身、樁頂順橋向最大位移均呈增大趨勢(shì)，其中臺(tái)身位移增大相對(duì)明顯。

6 結(jié)語

通過建立扶壁臺(tái)、地基土和臺(tái)后填土有限元模型，根據(jù)橋頭跳車高度和車輪沖擊系數(shù)的關(guān)系，對(duì)不同跳車高度情況下的扶壁臺(tái)進(jìn)行計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

①由于橋頭跳車高度增加引起汽車臺(tái)后等代壓力增加，橋臺(tái)應(yīng)力，承臺(tái)、樁身內(nèi)力和臺(tái)身、樁頂位移均出現(xiàn)不同程度的增加，其中對(duì)臺(tái)身順橋向應(yīng)力、扶壁橫橋向應(yīng)力和承臺(tái)繞順橋向彎曲的彎矩影響相對(duì)較大，對(duì)樁身彎矩和位移影響相對(duì)較小。

②通過橋臺(tái)的應(yīng)力分布情況，可以確定扶壁臺(tái)拉應(yīng)力較大位置即受力薄弱區(qū)，比如臺(tái)身頂面與耳墻交界位置，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)針對(duì)該位置進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，提高橋臺(tái)結(jié)構(gòu)耐久性。

③橋頭跳車作為一種常見現(xiàn)象，在對(duì)扶壁臺(tái)以及承臺(tái)、樁基進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮橋頭跳車動(dòng)力荷載影響，保證結(jié)構(gòu)配筋有足夠的安全富余度。