橋頭路基路面與搭板一體化結構設計研究

宋金華 王 勇 杜衍慶

1 概況

設置橋頭搭板是避免橋臺和路面間發(fā)生錯臺常用的一種方法。但是從目前的實際情況看，現行的橋頭搭板設計方案難以達到理想的使用效果，經調查分析，主要原因是搭板的埋置深度、受力狀態(tài)和該部位路基路面結構的組合及應力分布特性配合與適應性問題。因此，針對現行橋頭搭板的欠合理性設計方面，調整搭板的埋深，分析其受力、沉降大小等，來綜合解釋橋頭路基路面與搭板一體化設計的優(yōu)越性。

2 橋頭跳車產生的原因

1)可控原因。a.路堤的壓縮沉降。b.施工措施不當。2)不可控原因。a.結構差異性:橋臺屬于剛性結構物，基礎設置在較好的持力層上，一般采用樁基礎，沉降基本為零。對于橋頭引道處，其路基是柔性或者是半剛性的，在車輛荷載長期作用下，不但會產生彈性變形，并且會產生較大不可恢復的塑性變形。塑性變形隨著時間的累積就造成了沉降差異，造成跳車現象。b.設計不合理:在基底未作徹底處理，沉降還未穩(wěn)定時，應周詳考慮橋臺結構與引道銜接，在沒有質量保證的情況下，不應該直接澆混凝土板。應先設置過渡面層，待路堤沉降基本完成后再改鋪原設計面層，淺埋式橋頭搭板是目前常用的防治橋頭跳車的措施。

3 有限元方法的基本原理

取4個角為節(jié)點。節(jié)點 i的無量綱坐標ξi和ηi(i=1，2，3，4)分別為(-1，-1)，(1，-1)，(1，1)，(-1，1)。單元的節(jié)點位移向量為:ae=[μ1v1μ2v2μ3v3μ4v4]T。

單元內任一點的位移用單元節(jié)點位移表示為:

形函數具有以下特征:

寫成矩陣形式為:

其中，B=[B1B2B3B4]，

單元的剛度矩陣為:

對于平面應力問題，上式中任一子塊為:

其中，

4 建立ANSYS有限元模型

在建立橋頭搭板計算模型時，主要以兩種不同埋深的橋頭搭板進行對比分析，1)現行搭板設計方案“淺埋式”(埋置在路面結構上部，約22 cm的位置);2)調整埋置位置后的“深埋式”(埋置在路面結構層下部，約78 cm的位置)。本文的研究目的主要是建立搭板埋深和內力的關系，故選取實體單元(Solid182)作為有限元單元類型，并考慮為平面應變問題(PLANE STRAIN)。本模型中的材料主要考慮為線性(LINEAR)彈性(ELASTIC)材料，在定義材料參數表時按程序中給出的各材料列表進行定義，并且對結構層做如下假設:1)各結構層為均質、連續(xù)、各項同性的連續(xù)彈性體;2)各層層間豎向、水平位移均連續(xù);3)地基底面各向位移為零，地基層面水平方向位移為零;4)不計路面結構的自重影響。為了節(jié)省程序計算時間并保證程序計算的精確性，本文把單元截面劃分成了邊長為10 cm相同形狀的單元網格。荷載采用最不利情況布置，即在搭板中央距離橋頭3 m處布置70 kN的力，并在距離橋頭1.6 m處布置同樣70 kN的力。

5 有限元計算成果及分析

本文主要是為控制搭板的深度而進行的有限元分析，分別為傳統(tǒng)的搭板設計方案，即淺埋式搭板設計，再置搭板埋于中間層作為過渡(距離頂面40 cm)，最后置搭板于路面結構底層，即距頂面78 cm處。經過3種不同埋置深度的搭板設計的分析研究，得出一系列強有力的指標說明深埋式搭板設計方案的優(yōu)勢，見表1。

表1 搭板不同位置的指標對比

在此略去搭板于中間的過渡狀態(tài)，更加直觀的在柱形圖中表明(如圖2所示):1)從搭板底部的豎向位移來看，淺埋式搭板的最大變形為1.66 mm，深埋式搭板的最大變形為0.938 mm，減少了43.5%。從這一差別來看，深埋式可以使搭板底面的垂直變形明顯減小，這就非常有利于使搭板與板底基礎共同處于彈性工作階段，減小由于搭板的垂直變形而引起板底基礎的塑性變形積累和搭板與地基基礎的脫空現象。2)搭板的深埋式設計方案能有效減小荷載對搭板的作用力，由淺埋式的最大等效應力1.57 MPa減小到 1.04 MPa，減小了33.8%，這對提高搭板的使用壽命是非常有利的。

6 結語

搭板埋置深度的大小對解決橋頭跳車起著決定性的作用，但是搭板不是越深越好，如果搭板埋置過深就起不到搭板防止橋頭跳車的用意，而采用橋頭路基路面結構與搭板結構體系的一體化綜合設計方案，豎向位移減少了43.5%，最大等效應力減小了33.8%，從這兩項指標可以看出:調整橋頭搭板的埋置深度后與路基路面重新組合的結構形式得到充分發(fā)揮，并且延長了橋頭搭板的使用壽命，實現該部位的路基、路面和搭板結構的合理組合，從而達到綜合防治橋頭跳車這一技術難題的目的。

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