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)

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)

以李家灣大橋為工程依托，采用大型有限元軟件ABAQUS建立實體模型，選取橋墩高度、橋梁縱坡、支座摩擦系數三個影響因素對橋墩偏位及其內力進行分析，為類似橋梁的合理設計提供參考。

大縱坡梁橋;橋墩高度;縱坡;摩擦因素;墩頂偏位

1 前言

大縱坡的簡直變連續梁橋成橋后通常發現分聯處橋墩由于發生較大的墩頂偏位，橋墩處出現支座滑移、墩柱底部出現較多環向裂縫等病害現象。因此，大縱坡簡直變連續梁橋分聯處橋墩墩頂偏位現象影響因素的分析對此類橋梁的設計及其修建提供很重要的參考價值。

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(防撞護欄)+11.25 m(車行道)+0.50 m(防撞護欄)。左、右幅橋上部結構均采用8×30.00 m預應力混凝土連續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，主梁間設橫隔梁。下部結構采用雙柱式橋墩、樁基礎，橋臺采用U型橋臺、擴大基礎。

預制T梁、鉸接縫、整體化現澆橋面板和封錨段均采用C50混凝土;下部構造固接墩支承梁及高墩墩身采用C40混凝土，墩帽、臺帽、墩柱、系梁等采用C30混凝土，“U”型臺臺帽、樁基、承臺等采用C25混凝土。“U”型橋臺臺身及基礎采用C20片石混凝土。

圖1 李家灣大橋立面圖

3 工程問題

李家灣大橋是一座先簡支后連續的橋梁，橋梁分左、右幅，縱坡達4%。L4#墩及R4#墩分別為左、右幅分聯處橋墩，其上各設置有兩排盆式橡膠支座，該墩均為雙柱式圓柱墩。在完工后發現L4#墩及R4#墩兩墩柱底部均發現冷水側存有間距均勻分布的環向裂縫，且兩墩支座上部蓋板均向冷水側滑移，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象，其中R4#墩偏移量更大，而現場檢查與兩墩相鄰的L3#墩/L5#墩及 R3#墩/R5#墩頂支座，均未發現類似支座滑移的現象。4#墩底部樁基較短且為端承樁(10.50 m)，墩柱高達40.00 m。

表1 主要病害統計

4 有限元模型分析計算

以李家灣大橋為工程依托，采用用強大的工程模擬有限元軟件ABAQUS對橋梁結構進行仿真分析，為了對分聯處橋墩的墩頂偏位影響因素的研究，更直觀查看應力及變形結果，有限元模型采用實體單元(20個節點的減縮積分單元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，相應的材料特性如表2所示。

表2 李家灣大橋材料性質

4.2 邊界條件

實體單元3D20R有三個自由度，有限元模型當中固結2#墩底。由于分聯處橋墩頂的偏移是研究的重點，1#墩和3#墩的墩頂自由度被約束，使其不產生墩頂位移，并利用ABAQUS有限元分析軟件中的的“襯套”通過定義各方向上的剛度，以及摩擦系數來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)墩柱高度對墩頂偏位影響

李家灣大橋是一座大縱坡坡橋，上部結構所受荷載傳遞到橋墩時由于大坡度的存在水平力無法平衡，使得分聯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高的橋墩實體模型，計算墩頂在自重作用下的墩頂偏位以及橋墩截面的受力，研究高度對墩頂偏位的影響。分析數據如表3。

表3 橋墩不同高度下的墩底彎矩、主拉應力、墩頂水平偏位

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

(2)縱坡坡度對墩頂偏位影響

對于較大縱坡簡支變連續梁橋來說，其上部結構部分重力轉化為水平推力作用在橋墩土，導致橋墩在施工的過程和成橋狀態下受力的不利狀態，分別選取了0、2%、4%縱坡坡度大小的對橋墩進行分析，結果如表4。

表4 橋墩不同高度下的墩底彎矩、主拉應力、墩頂水平偏位

由表4分析數據可知，當縱坡坡度為2%時，橋墩墩頂偏位達到14.49 cm，墩底主拉應力已超過材料允許值，引起墩底的混凝土產生裂縫。當坡度為4%時，橋墩出現了最不利的受力狀態。

(3)支座摩擦系數對墩頂偏位影響

李家灣設置盆式橡膠支座，按照《公路橋梁盆式支座》(JT/T391-2009)中的相關規定，選取摩擦系數分別為0.01、0.02、0.03時得出相應墩頂的位移變化量、墩底彎矩和墩底應力水平如表5所示。

表5 不同摩擦系數下的墩底彎矩、主拉應力、墩頂水平偏位

由表可知，摩擦系數過小，產生墩底過大的拉應力，導致混凝土被拉裂。對支座的選用，品質的好壞，支座摩擦系數的大小對橋墩的受力起著很大的影響作用。

4 結語

以修建在石忠高速上的雙幅梁橋李家灣大橋為工程依托，采用了有限元軟件ABAQUS探討了簡直變連續大縱坡梁橋分聯處橋墩出現支座滑移和墩底出現環向裂縫的影響因素分析研究，并選取了橋墩高度、縱坡坡度、支座摩擦因素對分聯處橋墩進行實體建模有限元計算，得出分聯處橋墩越高，長細比大墩柱偏柔，抗彎剛度不足，導致墩頂偏位越大，橋墩的受力越不利，出現墩底環向裂縫。通過0、2%、4%縱坡坡度的選取分析，可知縱坡坡度越大，橋梁上部結構自重荷載對橋墩產生的水平推力越不平衡，導致墩頂偏位過大和墩底大應力的出現。采用限元軟件ABAQUS中的“襯套”功能真實模擬支座效應，當摩擦系數過小時，橋梁上部和橋墩之間的連接作用減小，支座處出現滑移，橋墩墩頂出現很大的偏移。所以在簡直變連續坡橋的設計中，橋墩高度、縱坡坡度、支座類型的選取應配套考慮，取得一個合理的配合值，防止橋墩出現不利狀態。

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U448

B

1008-3383(2013)04-0077-02

2012-11-10

劉輝(1988-)，男，貴州人，碩士。