不同高度肋板式橋臺受力分析★

趙香玲 王豐倉

(陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000)

不同高度肋板式橋臺受力分析★

趙香玲 王豐倉

(陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000)

基于40 m有裂縫運營橋臺調查,總結出橋臺高度對肋板式橋臺的受力影響比較敏感，針對此問題利用Midas/Civil建立肋板橋臺高度分別為8 m,10 m,12 m,14 m的40 m跨徑橋梁三維有限元分析模型。分析在汽車中載、人群荷載、溫度荷載、混凝土收縮徐變作用下肋板橋臺結構力學特性。結果表明：作用荷載不變時，隨橋臺高度增加臺帽順橋向位移逐漸減小，橫向應力增幅達3%。

肋板式橋臺,最大位移,最大主拉應力

0 引言

作為支撐橋跨結構傳遞橋上部恒載和活載的橋梁重要結構橋臺，能夠抵擋路基土側向壓力防止填土滑坡和坍落，因此橋臺的穩定性對于線路運行的安全起著重要作用。經濟的快速發展需要建立更便捷的交通運輸網，而交通運輸網的快速構建在穿越丘陵和山區時需要建立更大跨度的橋梁。在建立大跨度高橋臺時肋板式橋臺被廣泛運用在橋梁設計中，在調查了諸多現運營的橋梁，發現肋板式橋臺高度在8 m以下運營良好，而橋臺高度在8 m以上時橋臺臺帽、臺帽跨中底部及臺帽頂等出現了不同程度的開裂甚至破壞，有的甚至嚴重影響橋梁運營安全。

目前對于上述問題已有一定的研究，孫治國[1]基于pushover靜力分析技術模擬在主梁撞擊下的破壞，通過不同有限元假定模擬橋臺破壞得出了通過給橋臺混凝土中配置一定量分布的鋼筋可以有效減小橋臺的破壞。

祝志文[2]基于現有半圓形橋臺，運用CFD流體力學的方法數值模擬沖刷發展過程中，橋臺周圍復雜三維流場分析橋臺局部受到的沖刷。

賀薇[3]通過現場測試肋板橋臺在其背后填土作用橋臺水平位移變化數值，得出橋臺背側填土采用土工格柵分層鋪設的方法可以有效控制橋臺發生水平位移變化值。諸多對橋臺穩定性各種因素的研究中[4-9]，目前諸多研究關于橋臺高度對肋板橋臺的影響較少，為此設計不同橋臺高度的有限元模型研究橋臺高度對肋板橋臺的受力分析。

1 數值模型

為了簡化計算橋梁上部結構采用裝配式預應力C50混凝土40 m跨徑T型簡支梁[11]，橋面單幅寬12.75 m兩片T梁之間采用0.3 m×2.5 m橫向虛梁連接。下部結構選取8 m，10 m，12 m和14 m肋板式橋臺，選取4根端承樁為基礎。肋板橋臺采用C30混凝土并配有HRB335鋼筋，橋臺與端承樁埋入土中。承臺背側填土為γ=18 kN/m3沙土，內摩擦角φ=30°臺前坡度為1∶1.5。肋板橋臺詳細尺寸：背墻高2.5 m、背墻寬12.55 m、背墻厚0.65 m、耳墻寬2.8 m、耳墻短邊高1.35 m、耳墻長邊高4.5 m、臺帽長12.55 m、臺帽寬度1.7 m、臺帽高1.45 m、肋板頂邊長度1.55 m、兩肋板外邊緣距離8.05 m、承臺最長長度9.05 m、承臺最短寬度1.5 m和承臺高度1.5 m，其他詳細尺寸見表1。肋板三維模型見圖1，40 m跨徑T梁橋示意見圖2，40 m橋橫截面示意圖如圖3所示。

表1 不同高度橋臺各部位的具體尺寸 m

2 土壓力計算

因肋板橋臺在運營過程中不僅承受橋梁上部結構的汽車荷載和人群荷載，還要承受橋臺后填土產生的主動土壓力、橋梁上部動荷載產生的土側向壓力及臺前溜坡壓力，同時忽略縱、橫向風力、流水壓力、冰壓力、船只或漂浮物的撞擊力等。在分析橋臺北側土壓力時依據庫侖土壓力理論，在此分析過程中依據主動土壓力計算。依據《公路橋涵設計通用規范》[12]：

(1)

(2)

ω=α+δ+φ

(3)

土壓力系數按規范4.2.3條：

(4)

肋板橋臺臺帽背墻土壓力為：

(5)

(6)

對橋臺身頂部力劈肋板橋臺臺帽背墻土壓力對臺身頂所受合力彎矩為：

M=E×C

(7)

上部結構受力計算依據《公路橋涵設計通用規范》，忽略橋上部動荷載對40跨徑橋梁的作用，土壓力計算結果如表2所示。

表2 不同臺高時橋臺各個部位的土壓力

3 有限元分析

運用有限元軟件Midas/Civil和Midas/FEA分別對跨徑為40簡支T型梁橋，數值計算橋梁在受到上部中載作用下肋板橋臺力學性能分析[13,14]。考慮人群荷載、溫度荷載、混凝土收縮變形的影響，將動荷載轉化為靜荷載將其施加在橋梁上部結構，數值分析其對肋板橋臺產生的荷載，再將荷載等效施加在肋板橋臺上對其進行受力力學特性分析。為了簡化計算將橋梁上部結構按照縱向和橫向為0.4×1網格進行劃分。運用有限元軟件Midas/Civil數值模擬分析，在靜荷載作用下不同高度肋板橋臺進行線性分析，為了簡化分析肋板橋臺受力數值模擬結果，選取承臺、橋臺頂面、地面、臺身中點、臺身、臺帽中和邊緣節點，選取了22個關鍵點進行位移變化和應力變化分析，節點詳細位置如圖4所示。DY肋板橋臺順向位移、SXX橫向軸應力、P1最大主拉應力，計算云圖示意見圖5～圖7。

3.1 順橋向橋臺的位移

橋臺高度發生變化時，肋板橋臺在中心荷載作用下順橋向橋臺位移也隨之發生變化，隨橋臺高度的增加順橋向橋臺位移也隨之減小，如圖8所示。在上部結構所傳遞荷載不變的情況下，不同高度肋板橋臺相同位置處順橋向橋臺位移差異較大，肋板底部相比其他部位順向位移最小。分析順向位移變化曲線得出，盡管橋臺高度不同但其變化規律有相同之處，順向位移變化都是從肋板橋臺頂部向底部逐漸減小。

3.2 最大主拉應力

橋臺高度不同對肋板橋臺各部位最大拉應力差異不大，各節點最大主拉應力變化示意圖見圖9。在上部靜荷載不變的情況下，不同高度橋臺肋板的不同部位最大主拉應力差異較大，肋板橋臺頂部主拉應力較大，其最大值達1.76 N/mm2且臺帽中點處P1小于C30混凝土的抗拉強度標準值。

3.3 橫向應力

隨橋臺高度不同，肋板橋臺各點橫向應力變化較大示意見圖10。在上部結構靜荷載不變的情況下，肋板橋臺承臺和臺帽承受壓力作用，且承臺中點周圍區域各節點所受壓力隨橋臺高度變化不大。而臺帽處軸向壓力較大，且在橋臺中部隨橋臺高度變化肋板橋臺軸向應力變化較大，隨高度變化隨之增大。

4 結語

運用有限元軟件對跨徑為40橋梁，在中載作用下進行數值計算得出以下結論：

1)在中載作用下肋板橋臺隨橋臺高度的增加順橋向位移隨之減小，肋板橋臺底部位移最小。

2)中載作用下橫向應力，隨橋臺高度的變化以3%的增幅增大，而橋臺肋板最大拉主應力隨肋板厚度增加而減小。

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The force analysis of different height of ribbedplate abutment★

Zhao Xiangling Wang Fengcang

(ShaanxiRailwayInstitute，Weinan714000，China)

Based on the investigation of the crack operation of the 40 m bridge, it is concluded that the abutment height is sensitive to the influence of ribbedplate abutment. In this paper, the three-dimensional finite element analysis model of 40 m bridge with Midas/Civil is established, to analysis 8 m,10 m,12 m,and 14 m ribbedplate abutment. Analyse the mechanical properties of the ribbedplate abutment under the influence of car load, crowd load, temperature load, creep and shrinkage of concrete. The experimental results showed that： the loading is unchanged, the cap displacement along the bridge is decreases with the abutment height increase, the lateral stress is increase with 3%.

rib-plate-shaped bridge abutment, maximum displacement, maximum principal tensile stress

1009-6825(2017)21-0132-04

2017-05-15★：陜西省渭南市科研發展計劃項目(2015KYJ-3-2)

趙香玲(1988- )，女，碩士，助教; 王豐倉(1985- )，男，講師

U443.21

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