浅析大纵坡梁桥墩顶偏位影响因素

刘 辉，张 策

(重庆交通大学)

浅析大纵坡梁桥墩顶偏位影响因素

刘 辉，张 策

(重庆交通大学)

以李家湾大桥为工程依托，采用大型有限元软件ABAQUS建立实体模型，选取桥墩高度、桥梁纵坡、支座摩擦系数三个影响因素对桥墩偏位及其内力进行分析，为类似桥梁的合理设计提供参考。

大纵坡梁桥;桥墩高度;纵坡;摩擦因素;墩顶偏位

1 前言

大纵坡的简直变连续梁桥成桥后通常发现分联处桥墩由于发生较大的墩顶偏位，桥墩处出现支座滑移、墩柱底部出现较多环向裂缝等病害现象。因此，大纵坡简直变连续梁桥分联处桥墩墩顶偏位现象影响因素的分析对此类桥梁的设计及其修建提供很重要的参考价值。

2 工程概况

李家湾大桥是一座修建在石忠高速上的双幅梁桥。左、右幅桥梁全长均为262 m。本桥平面位于R=1244.309 m的圆曲线上。左、右幅桥梁跨径组合均为2联4×30.00 m。单幅桥桥面宽12.25 m，横桥向布置为:0.50 m(防撞护栏)+11.25 m(车行道)+0.50 m(防撞护栏)。左、右幅桥上部结构均采用8×30.00 m预应力混凝土连续T梁，30.00 mT梁高2.00 m，马蹄宽0.45 m，腹板宽0.20 m，单幅桥横向布置5片梁，主梁间设横隔梁。下部结构采用双柱式桥墩、桩基础，桥台采用U型桥台、扩大基础。

预制T梁、铰接缝、整体化现浇桥面板和封锚段均采用C50混凝土;下部构造固接墩支承梁及高墩墩身采用C40混凝土，墩帽、台帽、墩柱、系梁等采用C30混凝土，“U”型台台帽、桩基、承台等采用C25混凝土。“U”型桥台台身及基础采用C20片石混凝土。

图1 李家湾大桥立面图

3 工程问题

李家湾大桥是一座先简支后连续的桥梁，桥梁分左、右幅，纵坡达4%。L4#墩及R4#墩分别为左、右幅分联处桥墩，其上各设置有两排盆式橡胶支座，该墩均为双柱式圆柱墩。在完工后发现L4#墩及R4#墩两墩柱底部均发现冷水侧存有间距均匀分布的环向裂缝，且两墩支座上部盖板均向冷水侧滑移，主要的病害如表1所示。该桥L4#墩、R4#墩均存在不同程度的顶部向忠县方向偏移的现象，其中R4#墩偏移量更大，而现场检查与两墩相邻的L3#墩/L5#墩及 R3#墩/R5#墩顶支座，均未发现类似支座滑移的现象。4#墩底部桩基较短且为端承桩(10.50 m)，墩柱高达40.00 m。

表1 主要病害统计

4 有限元模型分析计算

以李家湾大桥为工程依托，采用用强大的工程模拟有限元软件ABAQUS对桥梁结构进行仿真分析，为了对分联处桥墩的墩顶偏位影响因素的研究，更直观查看应力及变形结果，有限元模型采用实体单元(20个节点的减缩积分单元3D20R)，并选取墩顶偏移量最大的4#墩相邻两跨作为研究对象，ABAQUS的有限元模型图如图2所示。

图2 ABAQUS有限元模型

4.1 材料特性

李家湾大桥主梁采用C50混凝土，桥墩采用C40混凝土，相应的材料特性如表2所示。

表2 李家湾大桥材料性质

4.2 边界条件

实体单元3D20R有三个自由度，有限元模型当中固结2#墩底。由于分联处桥墩顶的偏移是研究的重点，1#墩和3#墩的墩顶自由度被约束，使其不产生墩顶位移，并利用ABAQUS有限元分析软件中的的“衬套”通过定义各方向上的刚度，以及摩擦系数来仿真模拟支座在桥墩和主梁之间的作用。

4.3 墩顶偏位影响因素分析

(1)墩柱高度对墩顶偏位影响

李家湾大桥是一座大纵坡坡桥，上部结构所受荷载传递到桥墩时由于大坡度的存在水平力无法平衡，使得分联处的桥墩受力更加的不利，且其受墩高影响更敏感。本文采用大型有限元分析软件ABAQUS分别建立25 m、35 m、45 m高的桥墩实体模型，计算墩顶在自重作用下的墩顶偏位以及桥墩截面的受力，研究高度对墩顶偏位的影响。分析数据如表3。

表3 桥墩不同高度下的墩底弯矩、主拉应力、墩顶水平偏位

从表可知，桥墩高度45 m时，墩底受力最大，桥墩墩顶偏位达到26.3 cm，底部主拉应力达到8.23 MPa，引起混凝土开裂。墩底受力和墩顶偏位随着墩高增大变化显著。

(2)纵坡坡度对墩顶偏位影响

对于较大纵坡简支变连续梁桥来说，其上部结构部分重力转化为水平推力作用在桥墩土，导致桥墩在施工的过程和成桥状态下受力的不利状态，分别选取了0、2%、4%纵坡坡度大小的对桥墩进行分析，结果如表4。

表4 桥墩不同高度下的墩底弯矩、主拉应力、墩顶水平偏位

由表4分析数据可知，当纵坡坡度为2%时，桥墩墩顶偏位达到14.49 cm，墩底主拉应力已超过材料允许值，引起墩底的混凝土产生裂缝。当坡度为4%时，桥墩出现了最不利的受力状态。

(3)支座摩擦系数对墩顶偏位影响

李家湾设置盆式橡胶支座，按照《公路桥梁盆式支座》(JT/T391-2009)中的相关规定，选取摩擦系数分别为0.01、0.02、0.03时得出相应墩顶的位移变化量、墩底弯矩和墩底应力水平如表5所示。

表5 不同摩擦系数下的墩底弯矩、主拉应力、墩顶水平偏位

由表可知，摩擦系数过小，产生墩底过大的拉应力，导致混凝土被拉裂。对支座的选用，品质的好坏，支座摩擦系数的大小对桥墩的受力起着很大的影响作用。

4 结语

以修建在石忠高速上的双幅梁桥李家湾大桥为工程依托，采用了有限元软件ABAQUS探讨了简直变连续大纵坡梁桥分联处桥墩出现支座滑移和墩底出现环向裂缝的影响因素分析研究，并选取了桥墩高度、纵坡坡度、支座摩擦因素对分联处桥墩进行实体建模有限元计算，得出分联处桥墩越高，长细比大墩柱偏柔，抗弯刚度不足，导致墩顶偏位越大，桥墩的受力越不利，出现墩底环向裂缝。通过0、2%、4%纵坡坡度的选取分析，可知纵坡坡度越大，桥梁上部结构自重荷载对桥墩产生的水平推力越不平衡，导致墩顶偏位过大和墩底大应力的出现。采用限元软件ABAQUS中的“衬套”功能真实模拟支座效应，当摩擦系数过小时，桥梁上部和桥墩之间的连接作用减小，支座处出现滑移，桥墩墩顶出现很大的偏移。所以在简直变连续坡桥的设计中，桥墩高度、纵坡坡度、支座类型的选取应配套考虑，取得一个合理的配合值，防止桥墩出现不利状态。

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U448

B

1008-3383(2013)04-0077-02

2012-11-10

刘辉(1988-)，男，贵州人，硕士。