橋梁基礎不均勻沉降對橋梁結構的影響

閻玉菡 孫拴虎 李帥 齊海鵬

摘要：橋梁的基礎沉降對橋梁的影響時常發生，所以需要根據危害的程度來在設計建造橋梁的時候做出一些預防措施。同時，地質條件以及支承形式和沉降都有很大關系。因此，研究基礎不均勻沉降對連續鋼構橋的影響具有理論意義和使用價值。結合具體實際，以位于保山（大官市）%陵（龍卡山）高速公路6合同登高段處T形剛構橋為例，用MIDAS軟件建立了橋梁模型，根據模型特點對主橋的六個支座分別加了強制位移2cm，模擬沉降情況，通過對比分析各種情況下的數據，總結出最不利情況以及不同情況對橋梁的利害程度。

關鍵詞：支座;基礎沉降;連續剛構橋

中圖分類號：U443.1文獻標志碼：A

1基礎不均勻沉降概述

我國的地理地勢十分復雜，隨著交通的越來越發達，全國各個地方都新建了許多橋梁，但是由于地形的不同以及橋梁修建的時間增加，往往會出現各種基礎沉降問題。地基土質條件復雜以及上部建筑結構荷載不均勻等因素都將導致建筑結構基礎產生不均勻沉降，造成一些構件的開裂甚至破壞。橋梁基礎的不均勻沉降是很常見的問題，地基的不均勻沉降將導致上部結構的變形和內力重分布，而內力和變形的變化將影響結構的正常使用功能和極限承載能力。

本論述以位于保山（大官市）—龍陵（龍卡山）高速公路6合同登高段處T形剛構橋結構為例，運用MIDAS軟件研究了地基基礎不均勻沉降對上部結構內力，變形，應力以及支座沉降的影響。通過在建立好的橋梁模型上分別對四部分支座添加支座強制位移，來得出不同支座沉降對橋梁結構的影響，從對比結果中選出了最不利情況，再對其加以不同的支座沉降量，進一步得出基礎不均勻沉降與梁單元內力，變形，應力等的關系。

1.1基礎不均勻沉降的原因

基礎沉降對橋梁結構有著非常重要的影響，每年因為基礎沉降造成的橋梁垮塌時間很多，基礎沉降現在是橋梁中比較嚴重的危害之一。造成橋梁基礎不均勻沉降的原因有很多，這中間既有大自然的因素，也有人為失誤的因素，具體來說可以分為以下幾類：（1）地質情況復雜;（2）流水沖刷侵蝕;（3）上部結構超載;（4）基礎差異;（5）人為主導因素;（6）突發不可抗力。

1.2基礎不均勻沉降的影響

通過對近年來由于橋梁基礎不均勻沉降造成的連續剛構橋梁安全事故的分析，基礎不均勻沉降對連續剛構橋上部結構的影響主要有下述幾個方面：

（1）橋面線形發生改變，使橋面鋪裝層破壞并引發行車不平順、橋頭跳車等現象;

（2）主梁梁體出現偏移或撓度過大等情況，使主梁的內力和變形都發生改變，并加速了梁體混凝土裂縫產生的速度，直接影響到橋梁的安全穩定性;

（3）上部結構與下部結構的連接支座處梁底產生過大拉力或壓力，使梁底支座和主梁都發生破壞;

（4）橋墩（臺）、蓋梁、擋塊移位，并產生裂縫，甚至是破壞;

（5）基礎不均勻沉降情節嚴重的，還會導致橋梁整體垮塌。

2模型建立分析

2.1工程背景

本論述建立位于保山（大官市）一龍陵（龍卡山）高速公路6合同登高段處T形剛構橋模型，為跨越一開闊的v型溝谷而設置;本橋為雙幅橋，全橋為三聯跨，左幅橋跨徑為（2x30）+（65+120+65）+（4x30），右幅橋徑為（3x30）+（65+120+65）+（4x30）。主橋為預應力砼變截面連續剛構箱梁，引橋采用預制T梁先簡支后結構連續。下部構造按徑向布置，橋臺采用u型橋臺;引橋橋墩采用T形薄壁墩，主橋橋墩采用箱形薄壁橋墩;基礎采用鉆孔灌注樁。左幅橋全長446.0m，右幅橋全長476.0m。全橋位于-5%、-3%、-6%的變坡段上，變坡點豎曲線半徑分別為10000m及7000m，全橋平面位于圓曲線、緩和曲線、直線上;橋面直線段設雙向2.0%橫坡，曲線段設4%超高橫坡，緩和曲線段按線性變化。

2.2模型建立

根據橋梁竣工資料，運用大型有限元軟件Midas/Civil進行橋梁模型的建立和計算分析。全橋采用梁單元進行成橋階段模型的模擬，建立了110個單元，111個節點，橋面材料是混凝土，中間加預應力筋，有兩個主橋墩，加了靜力荷載，移動荷載等荷載，建立模型進行計算。成橋模型如圖1所示。

3基礎不均勻沉降對連續剛構橋結構靜力特性的影響

參照其他文獻中的不均勻沉降，分五種情況給不同的支座加強制位移以模擬支座沉降效果，分別為右邊跨支座沉降2cm、左邊跨支座沉降2cm、右墩底支座沉降2cm、左墩底沉降2cm和左右墩底同時沉降2cm。所有的荷載組合均選擇“恒載+支座沉降荷載+鋼束一次+鋼束二次+收縮二次+徐變二次”，將5種情況的梁單元內力圖，位移變形圖，應力圖以及支座反力與不加沉降的模型計算結果比較，從而得出了最不利的的情況，再對最不利情況加以不同的沉降量，進一步分析沉降量大小對結構的影響。

3.1不同支座沉降對橋梁結構的影響

首先，添加“支座沉降荷載”靜力荷載工況，類型選擇“用戶定義的荷載”，然后選擇“荷載一靜力荷載一強制位移”，選擇荷載工況名稱“支座沉降荷載”，然后在Dz方向加-0.02m強制位移，選擇需要加的支座節點，因為需要得出不同支座沉降的影響，所以分別對左邊跨支座，右邊跨支座，左墩底支座，右墩底支座，左右墩底支座加了強制位移。每一種情況下得到了梁單元內力，變形位移，應力，支座反力，并將其分別繪圖比較。

3.1.1位移變形

不同沉降情況變形位移對比如圖2所示。

從圖2中可以看出，當左邊跨支座沉降和右邊跨支座沉降的時候，對左邊跨和右邊跨的變形影響很大，當左右墩底支座同時沉降的時候對整個橋面影響都很大，而左墩底和右墩底單獨沉降的時候，對橋的影響不大，基本與不加沉降時候的圖形重合，即位移變化并不明顯，最大位移出現在75號單元處，由左右墩底支座同時沉降或右邊跨支座單獨沉降的時候形成。

3.1.2梁單元內力

從圖3中可以看出所有情況均是左右墩頂處的負彎矩最大，最小負彎矩在跨中處，各種情況沉降情況下，內力變化趨勢基本相同，但是幅度大小不一，左墩頂最大負彎矩是在右墩底支座沉降情況下產生，右墩頂最大負彎矩是在右邊跨支座沉降的時候產生，但是右墩底的最大負彎矩明顯大于左墩頂負彎矩，因此從此圖中可以知道右邊跨支座沉降對本橋梁結構更為不利。

3.1.3應力

不同沉降情況應力對比如圖4所示。

各種沉降情況的最大壓應力均在72號單元處產生，在跨中處不同沉降情況對結構應力影響最小，基本與不加沉降時的應力大小相同，在左右墩頂到兩邊邊跨之間變化最大，五種情況與不加沉降時進行比較，當右邊跨支座沉降的時候，在72號單元處產生的壓應力最大。

3.1.4支座反力

支座反力對比如圖5所示。

六個支座的反力大小變化不大，所以圖形基本全部重合，故可以知道支座沉降對支座反力的影響不大。

從表1可以得出，各種沉降情況對內力，位移，應力的影響大小不同，而對支座反力的影響并不大。而當右邊跨支座沉降的時候，產生了所有情況中最大的負彎矩，變形位移和壓應力，所有得出對于本橋梁模型最不利的沉降狀況為右邊跨支座沉降。

3.2最不利情況在不同沉降量時對結構的影響

從上一節中已經得出對橋梁結構影響最不利的沉降狀況為右邊跨支座沉降的時候，在這種情況下更改沉降的程度，分別加0cm、2cm、4cm、6cm的沉降量，比較當沉降量增加的時候，橋梁的內力，位移，應力和支座反力變化情況。

3.2.1變形位移

右邊跨支座沉降量增加時的變化位移如圖6所示。

因為是右邊跨支座沉降，所以右邊跨位移變化非常明顯，而左邊跨基本沒有影響，從對比圖中可以看出，當沉降量越大的時候，模型的位移變化越明顯，變形位移越大，最大位移仍在75號單元處。

3.2.2梁單元內力

右邊跨支座沉降量增加時的梁單元內力如圖7所示。

同樣可以看出因為是右邊跨支座沉降，所以右邊跨內力變化很明顯，而左邊跨基本沒有變化，右墩頂負彎矩比左墩頂負彎矩大了很多，最大負彎矩出現在右墩頂60號單元處，且隨著沉降量的增加，彎矩也隨之增大，最大負彎矩在不同沉降量時候的值依次為-13600.2tonf.m，-15376.5tonf.m，-17152.9tonf.m，-18929.2tonf·m，沉降量每增加2cm，最大負彎矩的增幅為13%，11.5%，10.3%。

3.2.3應力

右邊跨支座沉降量增加時應力如圖8所示。

和位移，內力一樣，右邊跨應力變化很明顯，且隨著沉降量的增加應力也增加，且仍在72號單元處取得最大壓應力值。

3.2.4支座良力

右邊跨沉降量增加時反力對比見表2所列。

從表2中可以看出，左邊跨支座（節點1）、兩墩底支座（節點120、121、134、135）處反力隨沉降量的增加呈輕微的增加趨勢，右邊跨支座（節點79）隨沉降量的增加呈減小趨勢。但變化不是很大，所以仍可得出沉降對支座反力影響不大的結論。

從上面對右邊支座沉降量變化時內力、位移、應力的分析，可以得出梁單元內力、變形位移、應力均隨著沉降量的增加而增大，且產生最大值得位置都一樣，沉降對支座反力的影響仍然不大。

4結論及展望

4.1結論

本論述以位于保山（大官市）一龍陵（龍卡山）高速公路6合同登高段處T形剛構橋結構為工程背景，運用MIDAS軟件研究了地基基礎不均勻沉降對上部結構內力，變形，應力以及支座沉降的影響。最后得出以下結論：

（1）各種沉降情況對內力，位移，應力的影響大小不同，而對支座反力的影響并不大。當左邊跨支座沉降的時候對左邊跨影響很大，而右邊跨基本不受影響，同理右邊跨支座沉降的時候，對右邊跨影響很大，左邊跨基本不受影響，當兩邊墩底支座同時沉降的時候整個橋面的位移變形都很明顯。而當右邊跨支座沉降的時候，產生了所有情況中最大的負彎矩，變形位移和壓應力，所以得出對于本橋梁模型最不利的沉降狀況為右邊跨支座沉降。

（2）在對右邊跨支座加以不同的沉降量的時候，梁單元內力、變形位移、應力均隨著沉降量的增加而增大，且產生最大值的位置都一樣，沉降對支座反力的影響仍然不大。

4.2展望

本論述只就基礎不均勻沉降對連續剛構橋的梁單元內力，變形，應力及支座反力影響做了研究，取得了初步結論，在今后的學習和實踐中還需進一步分析，下一步的研究工作重點主要集中在以下幾點：

（1）對基礎不均勻沉降狀況的模擬應該建立全面的實體模型，并取得所關心數據的實測值，將數值模擬結果與實測結果對比分析，掌握更貼近實際的基礎不均勻沉降對連續梁橋結構力學性能的影響規律;

（2）梁體內預應力筋的工作狀況會隨著上部結構內力及變形的變化而發生改變，預應力筋工作狀態的改變又必然影響著橋梁結構的整體工作狀態，所以基礎不均勻沉降對梁體內預應力筋工作狀況的影響情況應該成為下一步工作的重點;

（3）基礎不均勻沉降對不同梁截面、不同跨徑組合及不同曲率半徑的連續梁橋結構力學性能的影響情況會有差異，所以，在下一步的工作中，應該將這些因素也考慮進去，加深問題研究深度，豐富研究內容，進一步提高論文的研究價值;

（4）加強對基礎不均勻沉降實時監測系統的研究、應用工作，努力將基礎不均勻沉降造成的橋梁事故防患于未然。