橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降對橋梁結(jié)構(gòu)的影響

閻玉菡 孫拴虎 李帥 齊海鵬

摘要：橋梁的基礎(chǔ)沉降對橋梁的影響時(shí)常發(fā)生，所以需要根據(jù)危害的程度來在設(shè)計(jì)建造橋梁的時(shí)候做出一些預(yù)防措施。同時(shí)，地質(zhì)條件以及支承形式和沉降都有很大關(guān)系。因此，研究基礎(chǔ)不均勻沉降對連續(xù)鋼構(gòu)橋的影響具有理論意義和使用價(jià)值。結(jié)合具體實(shí)際，以位于保山（大官市）%陵（龍卡山）高速公路6合同登高段處T形剛構(gòu)橋?yàn)槔?，用MIDAS軟件建立了橋梁模型，根據(jù)模型特點(diǎn)對主橋的六個(gè)支座分別加了強(qiáng)制位移2cm，模擬沉降情況，通過對比分析各種情況下的數(shù)據(jù)，總結(jié)出最不利情況以及不同情況對橋梁的利害程度。

關(guān)鍵詞：支座;基礎(chǔ)沉降;連續(xù)剛構(gòu)橋

中圖分類號：U443.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1基礎(chǔ)不均勻沉降概述

我國的地理地勢十分復(fù)雜，隨著交通的越來越發(fā)達(dá)，全國各個(gè)地方都新建了許多橋梁，但是由于地形的不同以及橋梁修建的時(shí)間增加，往往會出現(xiàn)各種基礎(chǔ)沉降問題。地基土質(zhì)條件復(fù)雜以及上部建筑結(jié)構(gòu)荷載不均勻等因素都將導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降，造成一些構(gòu)件的開裂甚至破壞。橋梁基礎(chǔ)的不均勻沉降是很常見的問題，地基的不均勻沉降將導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力重分布，而內(nèi)力和變形的變化將影響結(jié)構(gòu)的正常使用功能和極限承載能力。

本論述以位于保山（大官市）—龍陵（龍卡山）高速公路6合同登高段處T形剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)為例，運(yùn)用MIDAS軟件研究了地基基礎(chǔ)不均勻沉降對上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力，變形，應(yīng)力以及支座沉降的影響。通過在建立好的橋梁模型上分別對四部分支座添加支座強(qiáng)制位移，來得出不同支座沉降對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，從對比結(jié)果中選出了最不利情況，再對其加以不同的支座沉降量，進(jìn)一步得出基礎(chǔ)不均勻沉降與梁單元內(nèi)力，變形，應(yīng)力等的關(guān)系。

1.1基礎(chǔ)不均勻沉降的原因

基礎(chǔ)沉降對橋梁結(jié)構(gòu)有著非常重要的影響，每年因?yàn)榛A(chǔ)沉降造成的橋梁垮塌時(shí)間很多，基礎(chǔ)沉降現(xiàn)在是橋梁中比較嚴(yán)重的危害之一。造成橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降的原因有很多，這中間既有大自然的因素，也有人為失誤的因素，具體來說可以分為以下幾類：（1）地質(zhì)情況復(fù)雜;（2）流水沖刷侵蝕;（3）上部結(jié)構(gòu)超載;（4）基礎(chǔ)差異;（5）人為主導(dǎo)因素;（6）突發(fā)不可抗力。

1.2基礎(chǔ)不均勻沉降的影響

通過對近年來由于橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降造成的連續(xù)剛構(gòu)橋梁安全事故的分析，基礎(chǔ)不均勻沉降對連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)的影響主要有下述幾個(gè)方面：

（1）橋面線形發(fā)生改變，使橋面鋪裝層破壞并引發(fā)行車不平順、橋頭跳車等現(xiàn)象;

（2）主梁梁體出現(xiàn)偏移或撓度過大等情況，使主梁的內(nèi)力和變形都發(fā)生改變，并加速了梁體混凝土裂縫產(chǎn)生的速度，直接影響到橋梁的安全穩(wěn)定性;

（3）上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的連接支座處梁底產(chǎn)生過大拉力或壓力，使梁底支座和主梁都發(fā)生破壞;

（4）橋墩（臺）、蓋梁、擋塊移位，并產(chǎn)生裂縫，甚至是破壞;

（5）基礎(chǔ)不均勻沉降情節(jié)嚴(yán)重的，還會導(dǎo)致橋梁整體垮塌。

2模型建立分析

2.1工程背景

本論述建立位于保山（大官市）一龍陵（龍卡山）高速公路6合同登高段處T形剛構(gòu)橋模型，為跨越一開闊的v型溝谷而設(shè)置;本橋?yàn)殡p幅橋，全橋?yàn)槿?lián)跨，左幅橋跨徑為（2x30）+（65+120+65）+（4x30），右幅橋徑為（3x30）+（65+120+65）+（4x30）。主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力砼變截面連續(xù)剛構(gòu)箱梁，引橋采用預(yù)制T梁先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)。下部構(gòu)造按徑向布置，橋臺采用u型橋臺;引橋橋墩采用T形薄壁墩，主橋橋墩采用箱形薄壁橋墩;基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。左幅橋全長446.0m，右幅橋全長476.0m。全橋位于-5%、-3%、-6%的變坡段上，變坡點(diǎn)豎曲線半徑分別為10000m及7000m，全橋平面位于圓曲線、緩和曲線、直線上;橋面直線段設(shè)雙向2.0%橫坡，曲線段設(shè)4%超高橫坡，緩和曲線段按線性變化。

2.2模型建立

根據(jù)橋梁竣工資料，運(yùn)用大型有限元軟件Midas/Civil進(jìn)行橋梁模型的建立和計(jì)算分析。全橋采用梁單元進(jìn)行成橋階段模型的模擬，建立了110個(gè)單元，111個(gè)節(jié)點(diǎn)，橋面材料是混凝土，中間加預(yù)應(yīng)力筋，有兩個(gè)主橋墩，加了靜力荷載，移動荷載等荷載，建立模型進(jìn)行計(jì)算。成橋模型如圖1所示。

3基礎(chǔ)不均勻沉降對連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)靜力特性的影響

參照其他文獻(xiàn)中的不均勻沉降，分五種情況給不同的支座加強(qiáng)制位移以模擬支座沉降效果，分別為右邊跨支座沉降2cm、左邊跨支座沉降2cm、右墩底支座沉降2cm、左墩底沉降2cm和左右墩底同時(shí)沉降2cm。所有的荷載組合均選擇“恒載+支座沉降荷載+鋼束一次+鋼束二次+收縮二次+徐變二次”，將5種情況的梁單元內(nèi)力圖，位移變形圖，應(yīng)力圖以及支座反力與不加沉降的模型計(jì)算結(jié)果比較，從而得出了最不利的的情況，再對最不利情況加以不同的沉降量，進(jìn)一步分析沉降量大小對結(jié)構(gòu)的影響。

3.1不同支座沉降對橋梁結(jié)構(gòu)的影響

首先，添加“支座沉降荷載”靜力荷載工況，類型選擇“用戶定義的荷載”，然后選擇“荷載一靜力荷載一強(qiáng)制位移”，選擇荷載工況名稱“支座沉降荷載”，然后在Dz方向加-0.02m強(qiáng)制位移，選擇需要加的支座節(jié)點(diǎn)，因?yàn)樾枰贸霾煌ё两档挠绊懀苑謩e對左邊跨支座，右邊跨支座，左墩底支座，右墩底支座，左右墩底支座加了強(qiáng)制位移。每一種情況下得到了梁單元內(nèi)力，變形位移，應(yīng)力，支座反力，并將其分別繪圖比較。

3.1.1位移變形

不同沉降情況變形位移對比如圖2所示。

從圖2中可以看出，當(dāng)左邊跨支座沉降和右邊跨支座沉降的時(shí)候，對左邊跨和右邊跨的變形影響很大，當(dāng)左右墩底支座同時(shí)沉降的時(shí)候?qū)φ麄€(gè)橋面影響都很大，而左墩底和右墩底單獨(dú)沉降的時(shí)候，對橋的影響不大，基本與不加沉降時(shí)候的圖形重合，即位移變化并不明顯，最大位移出現(xiàn)在75號單元處，由左右墩底支座同時(shí)沉降或右邊跨支座單獨(dú)沉降的時(shí)候形成。

3.1.2梁單元內(nèi)力

從圖3中可以看出所有情況均是左右墩頂處的負(fù)彎矩最大，最小負(fù)彎矩在跨中處，各種情況沉降情況下，內(nèi)力變化趨勢基本相同，但是幅度大小不一，左墩頂最大負(fù)彎矩是在右墩底支座沉降情況下產(chǎn)生，右墩頂最大負(fù)彎矩是在右邊跨支座沉降的時(shí)候產(chǎn)生，但是右墩底的最大負(fù)彎矩明顯大于左墩頂負(fù)彎矩，因此從此圖中可以知道右邊跨支座沉降對本橋梁結(jié)構(gòu)更為不利。

3.1.3應(yīng)力

不同沉降情況應(yīng)力對比如圖4所示。

各種沉降情況的最大壓應(yīng)力均在72號單元處產(chǎn)生，在跨中處不同沉降情況對結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響最小，基本與不加沉降時(shí)的應(yīng)力大小相同，在左右墩頂?shù)絻蛇呥吙缰g變化最大，五種情況與不加沉降時(shí)進(jìn)行比較，當(dāng)右邊跨支座沉降的時(shí)候，在72號單元處產(chǎn)生的壓應(yīng)力最大。

3.1.4支座反力

支座反力對比如圖5所示。

六個(gè)支座的反力大小變化不大，所以圖形基本全部重合，故可以知道支座沉降對支座反力的影響不大。

從表1可以得出，各種沉降情況對內(nèi)力，位移，應(yīng)力的影響大小不同，而對支座反力的影響并不大。而當(dāng)右邊跨支座沉降的時(shí)候，產(chǎn)生了所有情況中最大的負(fù)彎矩，變形位移和壓應(yīng)力，所有得出對于本橋梁模型最不利的沉降狀況為右邊跨支座沉降。

3.2最不利情況在不同沉降量時(shí)對結(jié)構(gòu)的影響

從上一節(jié)中已經(jīng)得出對橋梁結(jié)構(gòu)影響最不利的沉降狀況為右邊跨支座沉降的時(shí)候，在這種情況下更改沉降的程度，分別加0cm、2cm、4cm、6cm的沉降量，比較當(dāng)沉降量增加的時(shí)候，橋梁的內(nèi)力，位移，應(yīng)力和支座反力變化情況。

3.2.1變形位移

右邊跨支座沉降量增加時(shí)的變化位移如圖6所示。

因?yàn)槭怯疫吙缰ё两?，所以右邊跨位移變化非常明顯，而左邊跨基本沒有影響，從對比圖中可以看出，當(dāng)沉降量越大的時(shí)候，模型的位移變化越明顯，變形位移越大，最大位移仍在75號單元處。

3.2.2梁單元內(nèi)力

右邊跨支座沉降量增加時(shí)的梁單元內(nèi)力如圖7所示。

同樣可以看出因?yàn)槭怯疫吙缰ё两?，所以右邊跨?nèi)力變化很明顯，而左邊跨基本沒有變化，右墩頂負(fù)彎矩比左墩頂負(fù)彎矩大了很多，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在右墩頂60號單元處，且隨著沉降量的增加，彎矩也隨之增大，最大負(fù)彎矩在不同沉降量時(shí)候的值依次為-13600.2tonf.m，-15376.5tonf.m，-17152.9tonf.m，-18929.2tonf·m，沉降量每增加2cm，最大負(fù)彎矩的增幅為13%，11.5%，10.3%。

3.2.3應(yīng)力

右邊跨支座沉降量增加時(shí)應(yīng)力如圖8所示。

和位移，內(nèi)力一樣，右邊跨應(yīng)力變化很明顯，且隨著沉降量的增加應(yīng)力也增加，且仍在72號單元處取得最大壓應(yīng)力值。

3.2.4支座良力

右邊跨沉降量增加時(shí)反力對比見表2所列。

從表2中可以看出，左邊跨支座（節(jié)點(diǎn)1）、兩墩底支座（節(jié)點(diǎn)120、121、134、135）處反力隨沉降量的增加呈輕微的增加趨勢，右邊跨支座（節(jié)點(diǎn)79）隨沉降量的增加呈減小趨勢。但變化不是很大，所以仍可得出沉降對支座反力影響不大的結(jié)論。

從上面對右邊支座沉降量變化時(shí)內(nèi)力、位移、應(yīng)力的分析，可以得出梁單元內(nèi)力、變形位移、應(yīng)力均隨著沉降量的增加而增大，且產(chǎn)生最大值得位置都一樣，沉降對支座反力的影響仍然不大。

4結(jié)論及展望

4.1結(jié)論

本論述以位于保山（大官市）一龍陵（龍卡山）高速公路6合同登高段處T形剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)為工程背景，運(yùn)用MIDAS軟件研究了地基基礎(chǔ)不均勻沉降對上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力，變形，應(yīng)力以及支座沉降的影響。最后得出以下結(jié)論：

（1）各種沉降情況對內(nèi)力，位移，應(yīng)力的影響大小不同，而對支座反力的影響并不大。當(dāng)左邊跨支座沉降的時(shí)候?qū)ψ筮吙缬绊懞艽?，而右邊跨基本不受影響，同理右邊跨支座沉降的時(shí)候，對右邊跨影響很大，左邊跨基本不受影響，當(dāng)兩邊墩底支座同時(shí)沉降的時(shí)候整個(gè)橋面的位移變形都很明顯。而當(dāng)右邊跨支座沉降的時(shí)候，產(chǎn)生了所有情況中最大的負(fù)彎矩，變形位移和壓應(yīng)力，所以得出對于本橋梁模型最不利的沉降狀況為右邊跨支座沉降。

（2）在對右邊跨支座加以不同的沉降量的時(shí)候，梁單元內(nèi)力、變形位移、應(yīng)力均隨著沉降量的增加而增大，且產(chǎn)生最大值的位置都一樣，沉降對支座反力的影響仍然不大。

4.2展望

本論述只就基礎(chǔ)不均勻沉降對連續(xù)剛構(gòu)橋的梁單元內(nèi)力，變形，應(yīng)力及支座反力影響做了研究，取得了初步結(jié)論，在今后的學(xué)習(xí)和實(shí)踐中還需進(jìn)一步分析，下一步的研究工作重點(diǎn)主要集中在以下幾點(diǎn)：

（1）對基礎(chǔ)不均勻沉降狀況的模擬應(yīng)該建立全面的實(shí)體模型，并取得所關(guān)心數(shù)據(jù)的實(shí)測值，將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比分析，掌握更貼近實(shí)際的基礎(chǔ)不均勻沉降對連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響規(guī)律;

（2）梁體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋的工作狀況會隨著上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形的變化而發(fā)生改變，預(yù)應(yīng)力筋工作狀態(tài)的改變又必然影響著橋梁結(jié)構(gòu)的整體工作狀態(tài)，所以基礎(chǔ)不均勻沉降對梁體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋工作狀況的影響情況應(yīng)該成為下一步工作的重點(diǎn);

（3）基礎(chǔ)不均勻沉降對不同梁截面、不同跨徑組合及不同曲率半徑的連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響情況會有差異，所以，在下一步的工作中，應(yīng)該將這些因素也考慮進(jìn)去，加深問題研究深度，豐富研究內(nèi)容，進(jìn)一步提高論文的研究價(jià)值;

（4）加強(qiáng)對基礎(chǔ)不均勻沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的研究、應(yīng)用工作，努力將基礎(chǔ)不均勻沉降造成的橋梁事故防患于未然。