無縫型橋梁拱型搭板的可行性研究

莊一舟，陳益楠，鄭國平

(浙江工業大學 土木工程學院 杭州市 310014)

0 引言

橋梁搭板首先要減少由于回填土沉降引起的路面垂直變形，其次是在橋梁和路堤之間提供平滑過渡，作為無縫橋搭板還需要考慮主梁溫度變形傳遞的縱橋向位移問題[1]。搭板脫空沉降等所帶來的顛簸問題不是一個重大的安全問題，而是一個昂貴的維護問題。研究動機是尋找一種可行的新型搭板構造形式，來解決目前所存在的無縫橋搭板問題。

從拱的傳力原理獲得靈感，“拱”主要依靠順拱軸線的軸壓力流來傳遞豎向荷載。其傳力方式采用了“導”的方式，力線簡潔，傳力路徑較短，且構件應力分布均勻，能充分發揮材料強度，根據其特性提出無縫橋拱型搭板構造(如圖1)。作為搭板，主要是以受壓為主，拱型能夠完美傳力，可以有效緩解結構因應力集中等問題引起的變形甚至斷裂，還可以通過拱型跨長的設置提高搭板結構適應變形的能力，減少端部的水平位移，防止造成路面過度沉降，發生開裂現象。拱型搭板構造下部可填軟土或選擇脫空，這有效避免了橋臺牛腿受到臺后土體上翹直接擠壓路面上部連續結構，引起路面上部連續產生拉應力而造成上表面混凝土的受拉開裂，這一構造措施達到釋放牛腿端部的豎向和轉角位移所產生的應力效果。

圖1 拱型搭板示意圖

以矢跨比為1/5的拱型搭板為例，利用有限元計算分析開展其在無縫橋主梁溫度變形傳遞縱橋向位移(μ)情況下的受力分析，探究拱型搭板在無縫橋應用中的可行性。

1 有限元計算模型

利用ABAQUS有限元軟件，建立三維具有拱型搭板的無縫橋梁路橋過渡段模型，無縫橋梁路橋過渡段結構為“路面鋪裝層+拱型搭板+地基土體”。所建立的三維有限元模型所選取的模型參數包括：模型尺寸、模型材料本構、接觸設置及荷載邊界條件設定，相關參數值參考了文獻[2]的研究結果，具體論述如下。

1.1 結構模型參數

(1)模型尺寸

基于實際無縫橋梁路橋過渡段結構體系，并綜合考慮計算精度和計算效率，及拱型搭板與土層為典型的平面應變模型[3]，故對模型取1m寬建立搭板-土有限元計算實體模型，建立的帶有拱型搭板的無縫橋梁路橋過渡段有限元模型基本尺寸見表1。

表1 具有拱型搭板的無縫橋梁路橋過渡段有限元模型基本尺寸

其中拱型搭板，計算矢高為1.6m，跨徑為8m，矢跨比為1/5。

(2)本構關系

為反應不同材料之間的應力-應變關系，ABAQUS在進行有限元計算時，需為不同材料賦予相應的本構模型。計算模型中各結構層對應材料瀝青混凝土、C30混凝土和泡沫混凝土均采用線彈性模型，路堤填土和強風化熔巖則采用摩爾庫倫本構模型進行模擬，各種材料的具體參數見表2所示。

表2 模型結構層材料參數取值[4]

1.2 接觸及荷載設置

在拱型搭板與土層模型有限元計算分析中，需要考慮到拱型搭板與土以及各類土與土之間的接觸[5]。模型中接觸對均采用面面接觸，并依據原則定義主從面：在接觸中選擇剛度大的面作為主面，如果兩個接觸面的剛度相似，則應選擇網格較為粗的面作為主面。接觸屬性設置為罰摩擦接觸，搭板與土層之間切向行為的摩擦系數為0.69，各土層之間為0.2；法向行為均采用“硬”接觸。除路面鋪裝層外，其余四面及底面均設置人工邊界。根據工程實例搭板監測數據以及理論方面的計算，對近臺端拱腳參考點施加單向μ=±20mm的位移以模擬主梁受溫度影響在縱橋向的脹縮變形，遠臺端拱腳設置固接于枕梁。

1.3 模型網格劃分

根據上述模型尺寸取值，建立帶有拱型搭板的無縫橋梁路橋過渡段模型，如圖2所示。

有限元模型中，經誤差分析，按圖2所示的網格進行劃分，其中拱型搭板及搭板上方填土，進行網格加密處理。本模型網格單元類型選用八結點線性六面體縮減積分單元(C3D8R)。

圖2 有限元計算模型網格三維圖

1.4 模型計算步驟

(1)初始地應力平衡，對整個模型施加重力及包括搭板橋臺面的5面人工邊界，并采用ABAQUS自動地應力平衡模式來平衡臺后填土地應力[6]，確保模型初始狀態具有初始應力而無豎向位移，平衡之后模型最大豎向位移為1.369×10-4m，如圖3(U2為模型豎向位移)，滿足精度要求。

圖3 初始地應力圖

(2)激活搭板與土體及土層之間的面面接觸對及倆拱腳的固定連接狀態。

(3)釋放搭板橋臺面邊界限制及近臺端拱腳約束，并對其施加單向μ=±20mm的位移，以模擬主梁受溫度影響在縱橋向的脹縮變形。

2 模型計算結果

基于上述建立的帶有拱型搭板的無縫橋梁路橋過渡段有限元模型，模擬得到拱型搭板受到單向推拉狀態下，計算模型中搭板、板上土層及路面的豎向變形云圖，如圖4和圖5所示。

圖4 搭板單向受推(μ=20mm)時豎向變形云圖

圖5 搭板單向受拉(μ=-20mm)時豎向變形云圖

對比圖4和圖5，在拱型搭板受到單向推拉時，搭板最大豎向變形均發生在拱頂處，可以發現受推相對受拉情況下對搭板及上方填土豎向變形影響較大，其拱頂處變形達到1.772×10-2m。分別作出拱型搭板在兩種受力情況下所對應的路面豎向沉降曲線圖(圖6、圖7)，展示了在拱型搭板單向受推和受拉情況下，在搭板處路面沉降呈現出“拱”狀和倒“拱”狀的曲線形態，說明拱型搭板充分利用自身構造形狀及材料特性，較好地緩解縱向位移并傳遞至土體進行吸收，可以有效解決斷板問題以及減少端部的水平位移。

圖6 受推作用下路面沉降

圖7 受拉作用下路面沉降

路面平整度是分析搭板-土之間相互作用的關鍵控制指標。瑞士規范[7]采用坡度變化準則χ來量化路面的平整度，詳見式(1)。其中坡度系數χ考慮了沉降的深度和長度，為局部曲率半徑提供了有效的評估方法。由式(1)定義的坡度系數χ必須始終低于極限狀態χadm值為28‰，高速公路的χadm值為20‰。

(1)

依據瑞士規范對路面平整度的定義，計算出拱型搭板在單向受推、受拉情況下相應的坡度系數χ，并相對應作出兩種情況下的路面平整度坡度系數曲線圖如圖8所示。

圖8 搭板在受推和受拉作用下的路面平整度

從圖8可以得知，拱型搭板在受推和受拉情況下產生的最大坡度系數均發生在拱型搭板末端所對應的水平路基距離處附近，分別為±7‰，遠遠低于高速公路極限狀態20‰，所以帶有拱型搭板的無縫橋路基表面的平整性能夠滿足瑞士規范的容許限值要求。綜合來看，拱型搭板可以提高整體搭板結構適應變形的能力，能夠有效地緩解路面上表面產生的應力，防止路面出現裂縫，產生顛簸。

3 結論

合適的搭板設計直接影響交通基礎設施的安全性和經濟性，提出一種拱型搭板構造形式，通過模擬拱型搭板在主梁縱橋向變形下的豎向沉降情況及對路面平整度進行分析研究，發現拱型搭板可以較好地利用本身構造來吸收無縫橋的縱橋向位移及提供橋梁到路堤的平滑過渡，得出拱型搭板可以作為無縫橋緩解主梁溫度變化帶來的縱橋向位移及路橋過渡段所造成的顛簸現象的解決途徑之一，能在一定程度上減緩結構變形和常規搭板末端帶來的應力集中等問題，可以在無縫橋領域得到一定的應用。對于拱型搭板而言，其構件本身參數及兩端拱腳的連接方式仍需要進一步進行推導計算、數值模擬以及相關試驗來優化。目前有關拱型搭板受力性能的分析尚存在許多不足，希望通過討論，使拱型搭板技術能夠在今后的設計實踐中得到進一步的推廣與完善。