淺析大縱坡梁橋墩頂偏位影響因素

劉 輝，張 策

(重慶交通大學(xué))

淺析大縱坡梁橋墩頂偏位影響因素

劉 輝，張 策

(重慶交通大學(xué))

以李家灣大橋?yàn)楣こ桃劳校捎么笮陀邢拊浖嗀BAQUS建立實(shí)體模型，選取橋墩高度、橋梁縱坡、支座摩擦系數(shù)三個(gè)影響因素對(duì)橋墩偏位及其內(nèi)力進(jìn)行分析，為類(lèi)似橋梁的合理設(shè)計(jì)提供參考。

大縱坡梁橋;橋墩高度;縱坡;摩擦因素;墩頂偏位

1 前言

大縱坡的簡(jiǎn)直變連續(xù)梁橋成橋后通常發(fā)現(xiàn)分聯(lián)處橋墩由于發(fā)生較大的墩頂偏位，橋墩處出現(xiàn)支座滑移、墩柱底部出現(xiàn)較多環(huán)向裂縫等病害現(xiàn)象。因此，大縱坡簡(jiǎn)直變連續(xù)梁橋分聯(lián)處橋墩墩頂偏位現(xiàn)象影響因素的分析對(duì)此類(lèi)橋梁的設(shè)計(jì)及其修建提供很重要的參考價(jià)值。

2 工程概況

李家灣大橋是一座修建在石忠高速上的雙幅梁橋。左、右幅橋梁全長(zhǎng)均為262 m。本橋平面位于R=1244.309 m的圓曲線上。左、右幅橋梁跨徑組合均為2聯(lián)4×30.00 m。單幅橋橋面寬12.25 m，橫橋向布置為:0.50 m(防撞護(hù)欄)+11.25 m(車(chē)行道)+0.50 m(防撞護(hù)欄)。左、右幅橋上部結(jié)構(gòu)均采用8×30.00 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁，30.00 mT梁高2.00 m，馬蹄寬0.45 m，腹板寬0.20 m，單幅橋橫向布置5片梁，主梁間設(shè)橫隔梁。下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩、樁基礎(chǔ)，橋臺(tái)采用U型橋臺(tái)、擴(kuò)大基礎(chǔ)。

預(yù)制T梁、鉸接縫、整體化現(xiàn)澆橋面板和封錨段均采用C50混凝土;下部構(gòu)造固接墩支承梁及高墩墩身采用C40混凝土，墩帽、臺(tái)帽、墩柱、系梁等采用C30混凝土，“U”型臺(tái)臺(tái)帽、樁基、承臺(tái)等采用C25混凝土。“U”型橋臺(tái)臺(tái)身及基礎(chǔ)采用C20片石混凝土。

圖1 李家灣大橋立面圖

3 工程問(wèn)題

李家灣大橋是一座先簡(jiǎn)支后連續(xù)的橋梁，橋梁分左、右幅，縱坡達(dá)4%。L4#墩及R4#墩分別為左、右幅分聯(lián)處橋墩，其上各設(shè)置有兩排盆式橡膠支座，該墩均為雙柱式圓柱墩。在完工后發(fā)現(xiàn)L4#墩及R4#墩兩墩柱底部均發(fā)現(xiàn)冷水側(cè)存有間距均勻分布的環(huán)向裂縫，且兩墩支座上部蓋板均向冷水側(cè)滑移，主要的病害如表1所示。該橋L4#墩、R4#墩均存在不同程度的頂部向忠縣方向偏移的現(xiàn)象，其中R4#墩偏移量更大，而現(xiàn)場(chǎng)檢查與兩墩相鄰的L3#墩/L5#墩及 R3#墩/R5#墩頂支座，均未發(fā)現(xiàn)類(lèi)似支座滑移的現(xiàn)象。4#墩底部樁基較短且為端承樁(10.50 m)，墩柱高達(dá)40.00 m。

表1 主要病害統(tǒng)計(jì)

4 有限元模型分析計(jì)算

以李家灣大橋?yàn)楣こ桃劳?，采用用?qiáng)大的工程模擬有限元軟件ABAQUS對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，為了對(duì)分聯(lián)處橋墩的墩頂偏位影響因素的研究，更直觀查看應(yīng)力及變形結(jié)果，有限元模型采用實(shí)體單元(20個(gè)節(jié)點(diǎn)的減縮積分單元3D20R)，并選取墩頂偏移量最大的4#墩相鄰兩跨作為研究對(duì)象，ABAQUS的有限元模型圖如圖2所示。

圖2 ABAQUS有限元模型

4.1 材料特性

李家灣大橋主梁采用C50混凝土，橋墩采用C40混凝土，相應(yīng)的材料特性如表2所示。

表2 李家灣大橋材料性質(zhì)

4.2 邊界條件

實(shí)體單元3D20R有三個(gè)自由度，有限元模型當(dāng)中固結(jié)2#墩底。由于分聯(lián)處橋墩頂?shù)钠剖茄芯康闹攸c(diǎn)，1#墩和3#墩的墩頂自由度被約束，使其不產(chǎn)生墩頂位移，并利用ABAQUS有限元分析軟件中的的“襯套”通過(guò)定義各方向上的剛度，以及摩擦系數(shù)來(lái)仿真模擬支座在橋墩和主梁之間的作用。

4.3 墩頂偏位影響因素分析

(1)墩柱高度對(duì)墩頂偏位影響

李家灣大橋是一座大縱坡坡橋，上部結(jié)構(gòu)所受荷載傳遞到橋墩時(shí)由于大坡度的存在水平力無(wú)法平衡，使得分聯(lián)處的橋墩受力更加的不利，且其受墩高影響更敏感。本文采用大型有限元分析軟件ABAQUS分別建立25 m、35 m、45 m高的橋墩實(shí)體模型，計(jì)算墩頂在自重作用下的墩頂偏位以及橋墩截面的受力，研究高度對(duì)墩頂偏位的影響。分析數(shù)據(jù)如表3。

表3 橋墩不同高度下的墩底彎矩、主拉應(yīng)力、墩頂水平偏位

從表可知，橋墩高度45 m時(shí)，墩底受力最大，橋墩墩頂偏位達(dá)到26.3 cm，底部主拉應(yīng)力達(dá)到8.23 MPa，引起混凝土開(kāi)裂。墩底受力和墩頂偏位隨著墩高增大變化顯著。

(2)縱坡坡度對(duì)墩頂偏位影響

對(duì)于較大縱坡簡(jiǎn)支變連續(xù)梁橋來(lái)說(shuō)，其上部結(jié)構(gòu)部分重力轉(zhuǎn)化為水平推力作用在橋墩土，導(dǎo)致橋墩在施工的過(guò)程和成橋狀態(tài)下受力的不利狀態(tài)，分別選取了0、2%、4%縱坡坡度大小的對(duì)橋墩進(jìn)行分析，結(jié)果如表4。

表4 橋墩不同高度下的墩底彎矩、主拉應(yīng)力、墩頂水平偏位

由表4分析數(shù)據(jù)可知，當(dāng)縱坡坡度為2%時(shí)，橋墩墩頂偏位達(dá)到14.49 cm，墩底主拉應(yīng)力已超過(guò)材料允許值，引起墩底的混凝土產(chǎn)生裂縫。當(dāng)坡度為4%時(shí)，橋墩出現(xiàn)了最不利的受力狀態(tài)。

(3)支座摩擦系數(shù)對(duì)墩頂偏位影響

李家灣設(shè)置盆式橡膠支座，按照《公路橋梁盆式支座》(JT/T391-2009)中的相關(guān)規(guī)定，選取摩擦系數(shù)分別為0.01、0.02、0.03時(shí)得出相應(yīng)墩頂?shù)奈灰谱兓?、墩底彎矩和墩底?yīng)力水平如表5所示。

表5 不同摩擦系數(shù)下的墩底彎矩、主拉應(yīng)力、墩頂水平偏位

由表可知，摩擦系數(shù)過(guò)小，產(chǎn)生墩底過(guò)大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土被拉裂。對(duì)支座的選用，品質(zhì)的好壞，支座摩擦系數(shù)的大小對(duì)橋墩的受力起著很大的影響作用。

4 結(jié)語(yǔ)

以修建在石忠高速上的雙幅梁橋李家灣大橋?yàn)楣こ桃劳校捎昧擞邢拊浖嗀BAQUS探討了簡(jiǎn)直變連續(xù)大縱坡梁橋分聯(lián)處橋墩出現(xiàn)支座滑移和墩底出現(xiàn)環(huán)向裂縫的影響因素分析研究，并選取了橋墩高度、縱坡坡度、支座摩擦因素對(duì)分聯(lián)處橋墩進(jìn)行實(shí)體建模有限元計(jì)算，得出分聯(lián)處橋墩越高，長(zhǎng)細(xì)比大墩柱偏柔，抗彎剛度不足，導(dǎo)致墩頂偏位越大，橋墩的受力越不利，出現(xiàn)墩底環(huán)向裂縫。通過(guò)0、2%、4%縱坡坡度的選取分析，可知縱坡坡度越大，橋梁上部結(jié)構(gòu)自重荷載對(duì)橋墩產(chǎn)生的水平推力越不平衡，導(dǎo)致墩頂偏位過(guò)大和墩底大應(yīng)力的出現(xiàn)。采用限元軟件ABAQUS中的“襯套”功能真實(shí)模擬支座效應(yīng)，當(dāng)摩擦系數(shù)過(guò)小時(shí)，橋梁上部和橋墩之間的連接作用減小，支座處出現(xiàn)滑移，橋墩墩頂出現(xiàn)很大的偏移。所以在簡(jiǎn)直變連續(xù)坡橋的設(shè)計(jì)中，橋墩高度、縱坡坡度、支座類(lèi)型的選取應(yīng)配套考慮，取得一個(gè)合理的配合值，防止橋墩出現(xiàn)不利狀態(tài)。

［1］趙廣敏.先簡(jiǎn)支后連續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)受力性能時(shí)間歷程分析［D］.北京:北京交通大學(xué)，2009:61-65.

［2］謝利寶.簡(jiǎn)支變連續(xù)的施工方法及恒載分析［J］.江蘇交通科技，2001，4(3).

［3］上官萍等.簡(jiǎn)支變連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用研究［J］.福州大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，(10).

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U448

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1008-3383(2013)04-0077-02

2012-11-10

劉輝(1988-)，男，貴州人，碩士。