静风荷载对高墩大跨桥梁位移影响分析

2011-02-02段翔远徐井芒

铁道建筑 2011年9期

关键词：静风刚构桥高墩

段翔远，徐井芒，陈嵘

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031)

静风荷载对高墩大跨桥梁位移影响分析

段翔远，徐井芒，陈嵘

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031)

为了研究静风荷载对高墩大跨桥梁纵横向位移的影响，为高墩大跨桥梁上铺设无缝线路、无砟轨道提供理论依据，运用有限元软件ANSYS，建立桥梁—墩台—基础相互作用一体化模型，分析了静风荷载对桥梁纵向位移、横向位移的影响以及不同桥型对静风荷载抵抗能力的影响。结果表明，静风荷载作用下，高墩大跨桥梁会产生较大的纵横向位移;在最大风荷载作用下，横向位移产生的轨向不平顺值未超过高速铁路轨向不平顺管理值，且不会影响无缝线路的稳定性;静风荷载下引起梁体和墩台纵向位移会影响梁轨相互作用;采用刚构桥较连续梁桥有利于控制风荷载对桥梁变形的影响。

静风荷载高墩大跨纵向位移横向位移

对于铁路桥梁中的大跨度高桥墩，风荷载是影响其结构安全的重要因素。由于该类型桥梁跨度大、墩高以及相邻墩的墩高差大，这使得在静风荷载作用下墩的根部会产生较大的内力，桥梁在横向会产生较大的不均匀位移［1-2］，这会对桥梁上铺设无砟轨道、无缝线路产生不利影响。为了研究其不利影响，为高墩大跨桥梁上铺设无砟轨道、无缝线路提供理论依据，本文以某路线中高墩大跨桥梁为例，利用有限元分析软件ANSYS建立高墩大跨桥梁在静风荷载作用下的分析模型［3-4］，研究纵桥向、横桥向风对桥梁纵横向位移的影响，分析过程中对于刚性较大的桥梁，只考虑平均风压(即稳定风压)的作用［5］。

1 计算模型及参数

1.1 计算模型

高墩大跨铁路桥跨径布置为92 m+168 m+92 m，其总体布置见图1。主梁横截面为单箱单室变截面，端支座和主梁跨中梁高为6.0 m，中支点处梁高为11.5 m，其间梁高按二次抛物线变化。边墩(3#和6#墩)采用矩形截面实心墩，墩高37 m;中墩(4#和5#墩)采用矩形截面空心墩，墩高112 m。桥墩基础均采用钻孔灌注桩，边墩和中墩下的桩基础直径分别为1.5 m和2.5 m，桩长为20 m。

图1 大桥总体布置示意

本文利用ANSYS软件开发的体系结构，对其进行二次开发，编制了该高墩大跨桥在静力风载作用下的有限元程序，采用APDL(ANSYS参数化设计语言)来控制程序流程，自动完成有限元建模、荷载施加和方程求解。结构的有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

模型中梁体、桥墩和桩均采用空间梁单元Beam188单元模拟，承台采用实体单元 Solid45模拟;承台、桩与土之间的相互作用采用等代土弹簧单元Combin14模拟。

1)梁体。按照设计图的要求，梁体为单箱单室变截面梁，模型中，每2 m形成一个箱形截面，共形成了177个截面，即176个变截面梁，如图3所示。

图3 梁体截面

2)桥墩。模型中以实心矩形变截面梁模拟边桥墩，每2 m划分一个单元，共38个单元;中桥墩的上部以空心矩形变截面梁模拟，下部以实心矩形变截面梁模拟，每2 m划分一个单元，共112个单元。

3)承台。由于承台与许多桩基础相连，为方便建模，以实体单元模拟承台，在承台与上部梁体连接面和承台与下部桩基础连接面上形成了刚性区域，如图4所示。

图4 承台与桥墩和桩的连接

4)桩基础。如图5(a)、5(b)所示，边桥墩下桩基础由1.5 m的3×5根桩组成，每2 m划分一个单元，共300个单元;中桥墩下桩基础由2.5 m的3×7根桩组成，每2 m划分一个单元，共420个单元。

1.2 计算参数

1)单元类型

模型中共用到 Solid45、Beam188、Combin14三种单元，如表1所示。

表1 单元使用情况

2)材料性能

图5 桩基础有限元模型

C55混凝土：弹性模量E=3.60×104MPa，密度 ρ=2 650 kg/m3，泊松比 μ=0.167;C40混凝土：E=3.40 ×104MPa，ρ=2 650 kg/m3，μ =0.167;C20 混凝土：E=2.80 ×104MPa，ρ=2 650 kg/m3，μ =0.167。

3)基础土弹簧刚度(见图6)

图6 边墩、中墩基础—土相互作用

桩—土—结构模型是在Penzien模型基础上作了改进而成的，采用以下假定：①在同一水平层土壤为各向同性线弹性体，但不同层土壤性质是不相同的;②侧向土的性质在2个正交方向彼此无关;③土壤的抗力在轴向、侧向和扭转方向不耦合，且属于小位移问题;④用等代土弹簧来反映土层的恢复力，其刚度用“m”法计算。

4)静风荷载

根据《铁路桥涵设计基本规范》，风荷载强度可按式W=K1K2K3W0计算，式中，W为风荷载强度(Pa);W0为基本风压值(Pa)，W0=v2/1.6，按平坦空旷地面，离地面20 m、10 min内的平均最大风速 v(m/s)计算确定;一般情况W0可按“全国基本风压分布图”取值，并实地调查核实。K1为风载体形系数;K2为风压高度变化系数，风压随离地面或常水位的高度而异;K3为地形、地理条件系数。

2 计算结果及分析

2.1 静风荷载对桥梁横向位移的影响

当该桥布置为连续刚构桥时，在基本风压W0分别为500，600，700 Pa的作用下，梁体沿桥梁纵向的横向位移如图7(a)所示，边墩沿墩高的横向位移如图7(b)所示，中墩沿墩高的横向位移如图7(c)所示。

图7 不同风压下梁体、边墩、中墩的横向位移

从图7可以看出：在静风荷载的作用下梁体产生较大的横向位移，其最大值出现在梁体的中间位置，当基本风压W0为500，600，700 Pa时，最大横向位移分别为8.40 mm，10.08 mm和11.76 mm，即随着静风荷载的增加，梁体的横向位移逐渐增加;墩在静风荷载作用下的横向位移随着墩高的增加而增加，且当墩高较低时呈线性增加，当墩高较高时呈非线性增加，边墩墩高为37 m，在500，600，700 Pa的静风荷载的作用下其墩顶的横向位移分别为1.08 mm，1.30 mm和1.51 mm，而当墩高增加到112 m时，其墩顶的横向位移增加到5.22 mm，6.27 mm和7.31 mm。

根据计算横向位移曲线，分析了10 m，42 m和120 m的最大轨向偏移值，分别为0.041 5 mm，0.494 6 mm和2.882 4 mm，均小于高速铁路不平顺管理值。

2.2 静风荷载对桥梁纵向位移的影响

当该桥布置为连续刚构桥时，在基本风压分别为500，600，700 Pa的作用下，梁体、边墩、中墩的纵向位移如图8所示。

由图8可知，在静风荷载的作用下中墩带动梁体在纵向发生了位移，且其沿梁体纵向基本相等，当基本风压为500，600，700 Pa时，梁体的纵向位移分别约为5.1 mm，6.1 mm和7.2 mm;边墩由于墩高较低，其在纵向与梁体能自由伸缩，故其墩顶的纵向位移较小，当基本风压为500，600，700 Pa，其纵向位移分别为0.82 mm，0.98 mm和1.15 mm，其墩顶与梁体的相对位移分别为4.28 mm，5.12 mm和6.05 mm。

风载作用下墩台顶部会产生一定的纵向位移，可影响梁轨相互作用。

2.3 桥型不同时静风荷载对桥梁纵横向位移的影响

图8 不同风压下梁体、边墩、中墩的纵向位移

当基本风压为700 Pa，该桥分别布置为连续刚构桥、连续梁桥时，梁体沿桥梁纵向的横向位移如图9(a)所示，边墩沿墩高的横向位移如图9(b)所示，中墩沿墩高的横向位移如图9(c)所示。

从图9可知，在静风荷载的作用下，连续刚构桥的最大横向位移比连续梁桥要小，且从梁端到梁的中间位置，连续刚构桥的横向位移从略大于连续梁桥的横向位移逐渐变成小于连续梁桥的横向位移，当基本风压为700 Pa时，连续刚构桥的最大横向位移为11.76 mm，连续梁桥为14.91 mm;桥型对高墩横向位移的影响不大，桥梁布置为连续刚构桥和连续梁桥时，中墩墩顶的横向位移分别为7.3 mm和7.8 mm，边墩墩顶的横向位移相差为0.5 mm左右。

当基本风压为700 Pa，该桥分别布置为连续刚构桥、连续梁桥时，梁体的纵向位移如图10(a)所示，边墩沿墩高的纵向位移如图10(b)所示，中墩沿墩高的横向位移如图10(c)所示。