基于BSAS有限元模擬的連續(xù)梁沉降影響分析

文｜中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 高小宇

1 引言

圖1 支座截面構(gòu)造

圖2 跨中截面構(gòu)造

橋梁區(qū)域內(nèi)地質(zhì)情況復(fù)雜，不同巖層的沉降變形不同，會引起橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降。當(dāng)橋梁基礎(chǔ)遇到流水沖刷，也有可能導(dǎo)致橋梁地基的承載力不足，進(jìn)一步導(dǎo)致橋梁基礎(chǔ)的不均勻沉降[1]。本文結(jié)合某客貨共線鐵路小跨度（32+2×48+32）m 有砟軌道橋梁工程，利用有限元分析方法，分析墩臺發(fā)生不均勻沉降工況后，橋梁結(jié)構(gòu)受力的影響。橋址區(qū)氣候低溫嚴(yán)寒，年平均氣溫2.8℃。最大季節(jié)凍結(jié)深度142cm。工點(diǎn)處地層主要為第四系全新統(tǒng)洪積的砂質(zhì)黃土、細(xì)圓礫土、粗圓礫土及卵石土，上更新統(tǒng)洪積砂質(zhì)黃土、細(xì)圓礫土、細(xì)角礫土、粗圓礫土及二疊系板巖，以及濕陷性黃土等。

2 工程概況

本連續(xù)梁為某車站內(nèi)大橋（32.6+2×48×32.6）m 預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁設(shè)計(jì)。通過設(shè)置不同大小的不均勻沉降值，分析其對結(jié)構(gòu)受力的影響。

2.1 主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

（1）設(shè)計(jì)速度：客車200km/h，貨車設(shè)計(jì)速度120km/h。

（2）線路情況：新建鐵路Ⅰ級鐵路，直線，平坡。

（3）設(shè)計(jì)活載：ZKH 標(biāo)準(zhǔn)活載。

（4）軌道結(jié)構(gòu)形式：有砟軌道。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）箱梁構(gòu)造

本梁聯(lián)長161.2m，箱梁構(gòu)造為單箱雙室截面，箱梁跨度為 (32+2×48+32)m。

主墩墩頂4.0m 范圍內(nèi)梁高3.6m(不含橋面橫坡)，跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁高2.6m，梁底曲線為二次拋物線。箱梁底寬8.5m，中墩處梁底局部加寬至9.3m；頂板厚0.34m，底板厚為0.30～0.60m，腹板厚為0.42～0.9m。頂寬13.3m，內(nèi)測翼緣寬1.85m，外側(cè)翼緣寬2.95m。全聯(lián)在主墩墩頂和邊支點(diǎn)處共設(shè)置四道橫隔墻，梁端設(shè)一處橫隔墻，厚1.2m，設(shè)寬1.2m、高1.05m 的過人洞；主墩墩頂處設(shè)一道橫隔墻，厚1.6m，橫隔墻中設(shè)寬1.6m、高1.6m 的過人洞。

（2）建筑材料

箱梁采用C50 混凝土，預(yù)應(yīng)力鋼束規(guī)格：fpk=1860Mpa；σcon＜0.7fpk=1302Mpa（錨下張拉控制應(yīng)力）；預(yù)應(yīng)力鋼束公稱直徑φs=15.2mm，鋼束彈性模量Ep=1.95×105Mpa。

3 有限元分析模型

通過BSAS 有限元模擬軟件，本文實(shí)現(xiàn)了小跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁受力的有限元模擬，并對不同沉降工況下結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了分析。

（1）模型建立：全橋均劃分梁單元68個(gè)，每個(gè)單元分為I 和J 截面，設(shè)置節(jié)點(diǎn)69 個(gè)。

（2）施工階段：全橋設(shè)置34個(gè)施工階段，懸灌施工，邊跨先合龍。

（3）有限元計(jì)算取值：環(huán)境相對濕度70%，混凝土平均加載齡期按7 天計(jì)，終極齡期按10000 天計(jì)。二期恒載采用197kN/m?；钶d、溫度力、離心力等荷載按照《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10002-2017）辦理。

（4）沉降工況：依據(jù)規(guī)范[3]不均勻沉降限值10mm，沉降設(shè)置5mm、7mm、10mm 三種工況；對于每一個(gè)沉降工況，取最不利組合計(jì)算。

4 結(jié)果分析

4.1 不均勻沉降對運(yùn)營階段截面應(yīng)力的影響

在運(yùn)營階段下，不均勻沉降值分別為5mm、7mm、10mm 時(shí)對連續(xù)梁控制截面梁單元各應(yīng)力值的影響情況如圖3所示。圖3中(a)～(g)分別為不均勻沉降值為5mm、7mm、10mm 時(shí)梁單元正截面最大應(yīng)力、最小應(yīng)力、主拉、主壓應(yīng)力的影響圖。工況分別為：①主力工況；②主力+附加力工況。

圖3 不均勻沉降對控制截面單元應(yīng)力的影響

從圖3(a)～(b)中可以看出，主力工況下不均勻沉降值為5mm、7mm、10mm 時(shí)梁單元正截面上緣最大壓應(yīng)力分別為10.99Mpa、11.11Mpa、11.29Mpa，正截面上緣最小壓應(yīng)力1.68Mpa、1.49Mpa、1.19Mpa；主力+附加力情況下不均勻沉降值為5mm、7mm、10mm 時(shí)梁單元正截面上緣最大壓應(yīng)力分別為12.10Mpa、12.22Mpa、12.40Mpa，正截面上緣最小壓應(yīng)力1.17Mpa、0.97Mpa、0.67Mpa；當(dāng)不均勻沉降值增大時(shí)，主力工況和主力+附加力工況下梁單元正截面上緣最大應(yīng)力值在逐漸增大，而下緣壓應(yīng)力在逐漸減??；不均勻沉降值之間壓應(yīng)力差值的變化在兩種工況下基本一致，而且隨著沉降值得增加，壓應(yīng)力的差值在增大。

從圖3(c)～(d)中可以看出，在兩種工況下，不均勻沉降值為5mm、7mm、10mm時(shí)梁單元正截面下緣壓應(yīng)力表現(xiàn)出和上緣壓應(yīng)力相似的規(guī)律。

從圖3(e)～(f)中可以看出，在兩種工況下，梁單元控制截面主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力都隨著不均勻沉降值的增大而線性增大。

4.2 不均勻沉降對安全系數(shù)的影響

在運(yùn)營階段下，不均勻沉降值分別為5mm、7mm、10mm 時(shí)對連續(xù)梁控制截面梁單元強(qiáng)度和抗裂安全系數(shù)的影響情況如圖4所示。

從圖4(a)～(b)中可以看出，在主力工況下，不均勻沉降值為5mm、7mm、10mm時(shí)截面強(qiáng)度安全系數(shù)分別為2.34、2.30、2.24，抗裂安全系數(shù)為1.67、1.62、1.57；在主力+附加力工況下，不均勻沉降值為5mm、7mm、10mm 時(shí)截面強(qiáng)度安全系數(shù)分別為2.28、2.30、2.24，抗裂安全系數(shù)為1.51、1.49、1.45；強(qiáng)度安全系數(shù)和抗裂安全系數(shù)隨著不均勻沉降值的增大而線性減小。

圖4 不均勻沉降對安全系數(shù)的影響

通過分析不均勻沉降對梁控制截面的應(yīng)力影響以及安全系數(shù)可得知，墩臺基礎(chǔ)等不均勻沉降對小跨度連續(xù)梁結(jié)構(gòu)受力的影響非常明顯，因此為了保證小跨度連續(xù)梁運(yùn)營的安全，保障橋梁的線性平順，應(yīng)該加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，對基礎(chǔ)施工和沉降觀測做出嚴(yán)格的要求。

5 結(jié)論

通過對小跨度連續(xù)箱梁進(jìn)行理論及有限元的分析可知對模型運(yùn)算結(jié)果的分析，我們可知：

（1）隨著不均勻沉降值的增大，控制截面上緣、下緣壓應(yīng)力差值的變化在兩種工況下基本一致，而且隨著沉降值得增加，壓應(yīng)力的差值在增大。

（2）對于控制截面梁單元應(yīng)力而言，在兩種工況下，梁單元控制截面主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力都與不均勻沉降值具有正相關(guān)。

（3）隨著不均勻沉降值的增加，強(qiáng)度安全系數(shù)和抗裂安全系數(shù)均線性減小。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分考慮不均勻沉降值的大小，并利用預(yù)應(yīng)力等設(shè)計(jì)措施減小沉降造成的危害，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)施工監(jiān)控，注意施工質(zhì)量，保證墩臺位移沉降值在容許范圍內(nèi)。