基于BSAS有限元模擬的連續梁沉降影響分析

文｜中鐵第一勘察設計院集團有限公司 高小宇

1 引言

圖1 支座截面構造

圖2 跨中截面構造

橋梁區域內地質情況復雜，不同巖層的沉降變形不同，會引起橋梁基礎不均勻沉降。當橋梁基礎遇到流水沖刷，也有可能導致橋梁地基的承載力不足，進一步導致橋梁基礎的不均勻沉降[1]。本文結合某客貨共線鐵路小跨度（32+2×48+32）m 有砟軌道橋梁工程，利用有限元分析方法，分析墩臺發生不均勻沉降工況后，橋梁結構受力的影響。橋址區氣候低溫嚴寒，年平均氣溫2.8℃。最大季節凍結深度142cm。工點處地層主要為第四系全新統洪積的砂質黃土、細圓礫土、粗圓礫土及卵石土，上更新統洪積砂質黃土、細圓礫土、細角礫土、粗圓礫土及二疊系板巖，以及濕陷性黃土等。

2 工程概況

本連續梁為某車站內大橋（32.6+2×48×32.6）m 預應力混凝土現澆連續箱梁設計。通過設置不同大小的不均勻沉降值，分析其對結構受力的影響。

2.1 主要設計標準

（1）設計速度：客車200km/h，貨車設計速度120km/h。

（2）線路情況：新建鐵路Ⅰ級鐵路，直線，平坡。

（3）設計活載：ZKH 標準活載。

（4）軌道結構形式：有砟軌道。

2.2 結構設計

（1）箱梁構造

本梁聯長161.2m，箱梁構造為單箱雙室截面，箱梁跨度為 (32+2×48+32)m。

主墩墩頂4.0m 范圍內梁高3.6m(不含橋面橫坡)，跨中及邊跨現澆段梁高2.6m，梁底曲線為二次拋物線。箱梁底寬8.5m，中墩處梁底局部加寬至9.3m；頂板厚0.34m，底板厚為0.30～0.60m，腹板厚為0.42～0.9m。頂寬13.3m，內測翼緣寬1.85m，外側翼緣寬2.95m。全聯在主墩墩頂和邊支點處共設置四道橫隔墻，梁端設一處橫隔墻，厚1.2m，設寬1.2m、高1.05m 的過人洞；主墩墩頂處設一道橫隔墻，厚1.6m，橫隔墻中設寬1.6m、高1.6m 的過人洞。

（2）建筑材料

箱梁采用C50 混凝土，預應力鋼束規格：fpk=1860Mpa；σcon＜0.7fpk=1302Mpa（錨下張拉控制應力）；預應力鋼束公稱直徑φs=15.2mm，鋼束彈性模量Ep=1.95×105Mpa。

3 有限元分析模型

通過BSAS 有限元模擬軟件，本文實現了小跨度預應力混凝土連續梁受力的有限元模擬，并對不同沉降工況下結構受力進行了分析。

（1）模型建立：全橋均劃分梁單元68個，每個單元分為I 和J 截面，設置節點69 個。

（2）施工階段：全橋設置34個施工階段，懸灌施工，邊跨先合龍。

（3）有限元計算取值：環境相對濕度70%，混凝土平均加載齡期按7 天計，終極齡期按10000 天計。二期恒載采用197kN/m。活載、溫度力、離心力等荷載按照《鐵路橋涵設計規范》（TB10002-2017）辦理。

（4）沉降工況：依據規范[3]不均勻沉降限值10mm，沉降設置5mm、7mm、10mm 三種工況；對于每一個沉降工況，取最不利組合計算。

4 結果分析

4.1 不均勻沉降對運營階段截面應力的影響

在運營階段下，不均勻沉降值分別為5mm、7mm、10mm 時對連續梁控制截面梁單元各應力值的影響情況如圖3所示。圖3中(a)～(g)分別為不均勻沉降值為5mm、7mm、10mm 時梁單元正截面最大應力、最小應力、主拉、主壓應力的影響圖。工況分別為：①主力工況；②主力+附加力工況。

圖3 不均勻沉降對控制截面單元應力的影響

從圖3(a)～(b)中可以看出，主力工況下不均勻沉降值為5mm、7mm、10mm 時梁單元正截面上緣最大壓應力分別為10.99Mpa、11.11Mpa、11.29Mpa，正截面上緣最小壓應力1.68Mpa、1.49Mpa、1.19Mpa；主力+附加力情況下不均勻沉降值為5mm、7mm、10mm 時梁單元正截面上緣最大壓應力分別為12.10Mpa、12.22Mpa、12.40Mpa，正截面上緣最小壓應力1.17Mpa、0.97Mpa、0.67Mpa；當不均勻沉降值增大時，主力工況和主力+附加力工況下梁單元正截面上緣最大應力值在逐漸增大，而下緣壓應力在逐漸減小；不均勻沉降值之間壓應力差值的變化在兩種工況下基本一致，而且隨著沉降值得增加，壓應力的差值在增大。

從圖3(c)～(d)中可以看出，在兩種工況下，不均勻沉降值為5mm、7mm、10mm時梁單元正截面下緣壓應力表現出和上緣壓應力相似的規律。

從圖3(e)～(f)中可以看出，在兩種工況下，梁單元控制截面主拉應力、主壓應力和最大剪應力都隨著不均勻沉降值的增大而線性增大。

4.2 不均勻沉降對安全系數的影響

在運營階段下，不均勻沉降值分別為5mm、7mm、10mm 時對連續梁控制截面梁單元強度和抗裂安全系數的影響情況如圖4所示。

從圖4(a)～(b)中可以看出，在主力工況下，不均勻沉降值為5mm、7mm、10mm時截面強度安全系數分別為2.34、2.30、2.24，抗裂安全系數為1.67、1.62、1.57；在主力+附加力工況下，不均勻沉降值為5mm、7mm、10mm 時截面強度安全系數分別為2.28、2.30、2.24，抗裂安全系數為1.51、1.49、1.45；強度安全系數和抗裂安全系數隨著不均勻沉降值的增大而線性減小。

圖4 不均勻沉降對安全系數的影響

通過分析不均勻沉降對梁控制截面的應力影響以及安全系數可得知，墩臺基礎等不均勻沉降對小跨度連續梁結構受力的影響非常明顯，因此為了保證小跨度連續梁運營的安全，保障橋梁的線性平順，應該加強基礎設計，對基礎施工和沉降觀測做出嚴格的要求。

5 結論

通過對小跨度連續箱梁進行理論及有限元的分析可知對模型運算結果的分析，我們可知：

（1）隨著不均勻沉降值的增大，控制截面上緣、下緣壓應力差值的變化在兩種工況下基本一致，而且隨著沉降值得增加，壓應力的差值在增大。

（2）對于控制截面梁單元應力而言，在兩種工況下，梁單元控制截面主拉應力、主壓應力和最大剪應力都與不均勻沉降值具有正相關。

（3）隨著不均勻沉降值的增加，強度安全系數和抗裂安全系數均線性減小。設計時應該充分考慮不均勻沉降值的大小，并利用預應力等設計措施減小沉降造成的危害，施工時應加強施工監控，注意施工質量，保證墩臺位移沉降值在容許范圍內。