基于嚴寒環境下Y型橋墩單調加載時受力分析

范長春

(沈陽建筑大學交通工程學院 遼寧 沈陽 110168)

在現代橋梁設計中，人們對橋墩的要求越來越偏向占地面積小且造型優美，滿足受力要求的同時也為城市增加色彩，因此獨柱式Y型橋墩以其較小的占地面積、較美的造型成為了今后城市橋梁系統的發展趨勢。同時國內外學者關于鋼筋混凝土橋墩也進行了大量有意義的研究工作，取得了豐碩的研究成果[1-4]。

一、工程背景

遼寧省某市新二環路建設全線采用城市高架橋Y型預應力混泥土橋墩如圖1所示，墩底截面尺寸為160 cm × 500 cm，兩墩肢截面尺寸為 160 cm × 190 cm，兩肢臂彎曲處的半徑為1500cm，墩頂以下30cm處設置兩肢臂間的橫向聯系梁，墩頂以下440cm處設置高度為60cm，半徑為70cmU形槽。

圖1 高架橋Y型橋墩

二、有限元模型的建立

(一)計算參數的選取

對于C40混凝土，泊松比：0.1667，彈性模量：3.25×104Mpa，容重為26.5kN/m3。對于HRB335鋼筋，泊松比：0.1667，彈性模量：2×105MPa。對于預應力精軋螺紋鋼筋，張拉噸位：635kN，泊松比：0.3，彈性模量：1.95×105MPa，容重為 82.5kN/m3，標準強度：930MPa。對于軸壓比，分別選用0.3、0.5、0.7的大小，對于墩高，分別選取8m、10m、12m的高低進行數值分析。

(二)有限元模型

假設鋼筋和混泥土之間的粘結是理想性，利用ABAQUS有限元仿真軟件對高架橋Y型橋墩進行理想彈塑性模型的模擬，取8節點六面體單元C3D8R的混凝土構件，取兩節點三維桁架單元 T3D2的鋼筋，有限元模型取8米橋墩為例如圖2所示。

(a)橋墩混凝土 (b)橋墩鋼筋籠

(三)載荷施加與邊界條件

(1)荷載施加

本文建立的城市高架橋Y型橋墩的有限元模型，共分成四個分析步來進行荷載施加：

第一步是整體溫度荷載的施加。本文研究在嚴寒環境的背景下，根據《公路橋涵設計通用規范》考慮最高的有效溫度為34℃，最低的有效溫度為-23℃，采取溫降的方式進行有限元分析[5]。

第二步是施加預應力。直接施加預應力會比較繁瑣，故此采用溫差法來模擬預應力筋對鋼筋的預加力的作用。

第三步施加軸壓比的作用。

第四步是位移加載，采用一次函數的單調加載方式。

(2)邊界條件

橋墩的墩底限制6個自由度，橋墩頂部自由無約束，墩頂的截面處施加軸向壓力。圖3為模型的邊界條件及加載示意圖。

圖3 模型的邊界條件及加載示意圖

三、參數分析

橋墩的墩頂邊界條件對橋墩的受力性能有很大的影響，墩頂的約束越多，橋墩的受力性能就會明顯提高。因此，在實際工程中應采取相應的有效措施來保證節點所受的約束。本文討論了軸壓比、橋墩高度對城市高架橋Y型橋墩受力性能的影響規律。由于Y型橋墩截面形狀的特殊性，為了更貼合實際，考慮了兩個方向進行位移加載，即：順橋向加載和橫橋向加載。各個參數的受力性能分析是基于橋墩模型單調加載后的荷載位移曲線，其中Pu表示極限荷載，Δu表示極限荷載對應的位移。

(一)軸壓比的影響

由于軸壓比的大小對模型的靜力性能有較大的影響[6]。本文在有限元模型分析中，采用軸壓比分別為0.3、0.5和0.7。軸壓比參數分析模型見表1。

表1 軸壓比相關參數

橋墩的荷載與位移曲線是橋墩靜載試驗的一個基本要求和重要結果。通過對軸壓比三組不同的模型進行單調加載模擬，得到不同軸壓比下的橋墩荷載位移曲線如圖4和圖5所示，其分別表示不同軸壓比在順橋向和橫橋向加載時的荷載位移曲線，可以看出無論是在順橋向加載還是橫橋向加載，軸壓比大小的變化對橋墩極限荷載和其對應的位移的影響在圖形形狀趨勢走向表現一致。

圖4 不同軸壓比荷載位移曲線(順橋向)

圖5 不同軸壓比荷載位移曲線(橫橋向)

橋墩的初始剛度在不同軸壓比下基本保持一致，橋墩的極限荷載大小隨著軸壓比的增大而增大，其對應的位移卻逐漸減小，也就是說，隨著軸壓比的增大橋墩達到極限荷載所需時間也越來越小。

從表2和表3可以推出：與軸壓比0.5相比較，軸壓比0.3的極限荷載降低幅度要大于軸壓比0.7的提升幅度，結合橋墩的初始剛度變化不大，可得出軸壓比由0.3增大到0.7時，軸壓比的增加對橋墩的受力性能的影響幅度開始減小。

表2 不同軸壓比分析結果(順橋向)

表3 不同軸壓比分析結果(橫橋向)

(二)墩高的影響

橋墩的高度對橋墩的受力特性有著很大的影響，一般來說，在截面不變的條件下橋墩越高結構越柔。本節建立了三種不同高度的Y型橋墩模型，橋墩高度分別為8m、10m、12m，軸壓比取0.7，表4為不同墩高的相關參數。

表4 墩高的相關參數

Y型橋墩在三種不同墩高下的荷載位移曲線見圖6和圖7，可以看出橋墩高度的變化對其初始剛度、極限荷載有很大的影響，而且墩高在順橋向的影響要大于橫橋向，由于截面形式的不同，順橋向極限荷載相對于橫橋向較小。橋墩越高，初始剛度和極限荷載就越小，說明了隨著橋墩高度的增加，橋墩中部易發生彎曲，影響其受力性能，從而導致其承載能力下降。所以，在條件允許的情況下，盡可能的降低橋墩高度有利于提高橋墩的受力性能。

圖6 不同墩高荷載位移曲線(順橋向)

圖7 不同墩荷載位移曲線(橫橋向)

表5 不同墩高分析結果(順橋向)

表6 不同墩高分析結果(橫橋向)

四、結論

(1)在嚴寒環境下，城市高架橋Y型橋墩的軸壓比的增加能顯著的影響橋墩的受力性能，橋墩的承載能力會隨著軸壓比的增大而提升。所以，選取合適的軸壓比可以提高Y型橋墩的受力性能。

(2)在嚴寒環境下，城市高架橋Y型橋墩的墩高越高，初始剛度和極限荷載就越小，因此，在工程中盡可能的降低橋墩高度有利于提高橋墩的承載能力。