整體式無縫橋梁橋臺高度對主梁受力性能研究

張 帆

(深圳市交運工程集團有限公司，廣東 深圳 518003)

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整體式無縫橋梁橋臺高度對主梁受力性能研究

張 帆

(深圳市交運工程集團有限公司，廣東 深圳 518003)

利用大型有限元軟件ABAQUS，建立了整體式無縫橋梁全橋與臺后土體及樁周土體相互作用的三維非線性有限元計算模型，分析了在砂類土地基中，不同橋臺高度在自重及溫度荷載作用下對整體式無縫橋梁主梁的受力影響，得出了一些有益的結論。

整體式無縫橋梁，溫度荷載，橋臺高度，ABAQUS

0 引言

相對于有伸縮縫橋梁，無縫式整體式橋梁有其明顯的優勢：1)取消了伸縮裝置，方便施工，降低橋梁造價及維護費用，消除跳車現象，同時減少對橋梁的沖擊作用及減輕橋梁腐蝕現象，提高橋梁的使用壽命；2)橋梁的整體剛度增大，活載在橋梁縱橫向的分布更加均勻，上部結構的鋼筋用量降低，同時橋臺更輕更小，下部結構的混凝土用量也較少；適用于舊橋改造工程；3)抗震能力較有伸縮縫橋梁大大提高，日本的測試表明：使用整體式橋臺可以增大阻尼力。整體式無縫橋梁應用于量大面廣的中小橋，改變了過去的設計思想，是橋梁建設領域的一大進步，在世界各國得到大力推廣應用。

ABAQUS大型非線性有限元分析軟件對復雜的力學問題和高度非線性問題有著強大的模擬和處理能力，相信能更好地模擬整體式無縫橋中復雜的土—結構共同作用。本文利用大型有限元軟件ABAQUS，建立了整體式無縫橋梁全橋與臺后土體及樁周土體相互作用的三維非線性有限元計算模型；分析在砂類土地基中，不同橋臺高度在自重及溫度荷載作用下對整體式無縫橋梁主梁的受力影響。

1 整體式無縫橋梁ABAQUS有限元計算模型

1.1 計算參數

橋梁結構、土體材料參數如表1～表4所示。

表1 整體式無縫橋梁結構材料參數

表2 地基土(粘性土)計算參數

表3 臺后填土計算參數

表4 路堤土計算參數

1.2 有限元模型

在整體式無縫橋梁中，橋臺與主梁連接，又與樁基連接，同時在主梁發生變形時，又與臺后填土之間相互作用，而且根據相關研究表示，合適的橋臺設計對橋梁結構的影響比較大，而且橋臺結構尺寸中最重要的參數就是橋臺高度的取值。為了較為完整系統地分析不同橋臺高度對整體式無縫橋梁在自重和溫度荷載作用下受力性能的影響，根據國內外已建的整體式無縫橋梁橋臺高度的經驗值，本章利用大型有限元分析軟件ABAQUS分別建立了不同橋臺高度為2 m,3 m,4 m,5 m的橋梁結構—土體模型進行參數分析。模型采用幾何部件建模，模型共有兩個部件：橋梁結構和土體。結構與土體通過定義接觸對，接觸面的力學模型進行，充分考慮材料非線性和接觸非線性。整體式無縫橋梁采用線彈性模型，土體均采用Mohr-Coulomb(摩爾庫侖)模型，與線彈性模型聯合使用。四九橋ABAQUS有限元模型采用幾何部件建模，模型共有兩個部件：橋梁結構和土體(見圖1，圖2)。由于結構對稱，只建立了全橋半結構模型。

1)在模型中考慮了如下非線性問題：

a.橋臺與臺后填土之間的非線性相互作用；b.樁基與樁側土之間的非線性相互作用；c.搭板與路堤土之間的非線性相互作用。

2)模型中采用的假設如下：

a.不考慮混凝土收縮徐變、汽車荷載的影響；b.不考慮瀝青混凝土面層的影響；c.溫度荷載只考慮對主梁的作用。

3)模型邊界條件處理為：

a.在橋梁結構對稱截面處處理為對稱約束，即僅允許發生豎向位移；b.為了簡化模型計算，橋墩底部直接采用固結處理；c.土體底部采用固結處理，外側徑向約束。

2 砂類土地基中橋臺高度對主梁受力結果分析

整體式無縫橋梁相比于有縫橋梁的特點是其上部結構與下部結構連成一個整體，在水平荷載下，主梁、橋臺、柔性樁基礎、臺后填土及地基土共同作用，其作用性能非常復雜。本章以下內容分別闡述了在不同橋臺高度中，溫度作用下對整體式橋臺的主梁內力、橋臺內力、樁基內力、搭板內力等的影響。分析主要考慮兩種工況，工況一：重力作用下升溫30 ℃時；工況二：重力作用下降溫20 ℃時。

根據整體式無縫橋梁的受力特點，本文分析中各參數對以下各截面的受力和變形進行研究：

1)主梁邊跨跨中受力(如圖3中ZLA位置、ZLB位置)；

2)主梁邊跨靠近橋臺梁端受力(如圖3中ZLC位置、ZLD位置)。

圖4～圖7分別表示在地基條件和橋梁長度等其他因素相同時，不同橋臺高度對于主梁邊跨跨中彎矩、主梁邊跨跨中軸力、主梁邊跨梁端彎矩、主梁邊跨梁端剪力的影響。其中軸力以受拉為“+”，受壓為“-”，彎矩以主梁上緣受拉為“+”，上緣受壓為“-”。工況一：自重+升溫30 ℃；工況二：自重+降溫20 ℃。

由圖4～圖7可知：

1)對于主梁邊跨跨中位置彎矩，工況一時隨著橋臺高度的增加，跨中彎矩非線性減小；工況二時隨著橋臺高度的增加，跨中彎矩線性減小。因此，一定范圍內，無論升溫還是降溫情況下，橋臺高度越高，邊跨跨中彎矩越小。

2)對于主梁邊跨跨中位置軸力，工況一時隨著橋臺高度的增加，跨中軸力幾乎沒有影響；工況二時隨著橋臺高度的增加，跨中在2 m，3 m橋臺高度時受拉，在4 m，5 m時受壓，此時對結構受力比較有利。因此，升溫時，主梁邊跨跨中受壓；降溫時，在其他設計條件相同的情況下可以選擇3 m以上的臺高。

3)對于主梁邊跨靠近橋臺梁端位置彎矩，工況一時隨著橋臺高度的增加，梁端彎矩非線性增大；工況二時隨著橋臺高度的增加，梁端彎矩線性增大。因此，一定范圍內，無論升溫還是降溫情況下，橋臺高度越高，邊跨靠近橋臺梁端越大。

4)對于主梁邊跨靠近橋臺梁端位置剪力，工況一、工況二時隨著橋臺高度的增加，梁端剪力稍稍增加。因此，橋臺高度對主梁靠近橋臺梁端處剪力影響不大。

5)總體上，橋臺高度越高，主梁靠近橋臺梁端受力越大，跨中受力越小，值得注意是降溫時在4 m，5 m臺高時主梁受壓，對結構有利，因此，其他設計條件相同時，可以優先考慮4 m高的橋臺結構。

3 結語

在整體式無縫橋梁中，在溫度荷載作用下，橋臺高度越高，主梁靠近橋臺梁端受力越大，跨中受力越小，值得注意是降溫時在4 m,5 m臺高時主梁受壓，對結構有利，因此，其他設計條件相同時，可以優先考慮4 m高的橋臺結構。

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Study on major beam stress performance of integral-seamless bridge abutment height

Zhang Fan

(ShenzhenJiaoyunEngineeringGroupCo.,Ltd,Shenzhen518003,China)

Applying large-scale finite element software ABAQUS, the paper establishes three-dimension nonlinear finite element calculation mode of mutual interaction among integral-seamless bridge abutment and post-abutment soil and soil surrounding the pile, analyzes the stress impact of different abutment height upon integral-seamless bridge beam under self-weight and temperature load action in sandy soil foundation, and finally draws some beneficial conclusions.

integral-seamless bridge, temperature load, abutment height, ABAQUS

1009-6825(2017)14-0171-02

2017-03-06

張 帆(1970- )，男，工程師

U441

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