轻型U型桥台在不同荷载组合下的受力过程数值模拟分析

杨　宽，徐书平，徐　伟，周国相

(武汉轻工大学 土木工程与建筑学院 湖北 武汉 430023 )



轻型U型桥台在不同荷载组合下的受力过程数值模拟分析

杨宽，徐书平，徐伟，周国相

(武汉轻工大学 土木工程与建筑学院 湖北 武汉 430023 )

摘要：轻型U型桥台是公路桥梁中一种应用比较广泛的结构形式，而结合实际工程对轻型U型桥台的受力分析依然比较缺乏．现据相关规范并结合大型有限元软件ABAQUS，对轻型U型桥台在不同荷载组合的情况下的应力及变形进行三维有限元模拟分析，供轻型U型桥台设计参考．

关键词：轻型U型桥台；荷载组合；有限元模拟；内力分析；

1引言

轻型U型桥台是由台身、台帽和基础三部分组成，其各部分均采用钢筋混凝土，台身支承桥跨结构，并承受台后土压力的作用。翼墙连接路堤，在满足一定条件时，和前墙共同承受土压力，侧墙外侧设锥形护坡。台背内用填料填筑，并作为桥台自重的一部分，起增强桥台抗倾覆和抗滑稳定性作用。由于它具有较强的适用性、寿命长等特点，因此在国内

外得到了广泛的应用。由于重力式U型桥台圬工体积大，造价高，王昌武在1996年提出了无支撑梁轻型桥台的构造及计算方法，从而减少圬工数量，节省建桥投资。笔者结合现行规范的相关条文和有限元分析软件，对轻型U型桥台的前墙与侧墙隅角处及承台在不同荷载组合情况的受力情况进行分析，探讨桥台设计中的不同荷载组合情况及影响并提出建议，使轻型桥台能发挥较大作用，供桥台设计和加固参考。

2轻型U型桥台构造设计

根据现行规范对某一实际工程中的轻型U型桥台进行设计，轻型U型桥台的前墙长16.50 m，宽1.5 m，高7.11 m；盖梁长16.50 m，宽1.2 m，高0.6 m；桩直径为1.2 m，长13 m，横向间距为4.75 m，竖向间距为3.2 m。

3有限元模型的建立

3.1　建立模型

在工程计算中，往往无需了解构件破坏的全过程，而只需要了解其线弹性应力及变形的分布情况，以便确定桥台各部位在哪种工况下比较安全或者危险，从而选择较好的设计方案。在这种情况下，线性分析是很有用的。整个模型为三维有限元模型，由于其具有对称性，故建模时选取整个模型的一半进行分析。维南原理，地基土的长宽高均取两倍的桩长。依据对称性，有限元模型的对称面法向位移为零，剩余三个面及底面的6个自由度全为零。有限元模型如图1所示。

图1　有限元模型

3.2　模型接触面类型的选取

接触面本构模型主要有双曲线模型、弹塑性模型、刚塑性模型、损伤模型等。而简单的模型和参数有利于数值模拟及编程。故在桥台与台后填土、路基土、地基土间建立接触单元时，其接触面本构模型选取非线性弹性模型，接触类型为表面与表面接触，其切向的接触行为采用硬接触，当压力过盈时允许桥台与土体分离，接触面的切向行为采用罚单元法进行处理，摩擦系数为0.4，这样更符合实际工程情况，并使模拟的结果更加接近实际工程。

3.3　应力路径和网格划分

应力路径模拟实际加载过程，第一步考虑台后土自重，第二步考虑桥跨荷载，而模型的自重包括台后土的自重、土的自重、混凝土的自重，外部荷载包括T梁自重、台后车辆荷载、桥上车道荷载、冲击荷载以及摩阻力。

网格具体划分如图2所示。本模型的网格单元由混凝土桥台单元、土体单元及接触单元组成，由于本模型采用的线弹性模型，故模型单元采用4节点线性三维应力四面体单元(C3D4)，整个模型共划有116 372个单元，其中混凝土桥台模型有12 630个单元，土体模型有103 389个单元。

图2　有限元模型网格划分

3.4　混凝土与土体的本构关系

混凝土及土体参数如表1所示，混凝土桥台和土体的本构关系为各向同性线弹性。混凝土等级为C30，土体物理力学参数是根据设计资料及相关规范来选取的。

表1　材料的物理力学性质

3.5　荷载组合

荷载组合情况见表2，有限元模型承受的荷载有：台后填土自重、路基土自重、混凝土自重、上部传来的T梁自重、台后的车辆荷载、桥上的车道荷载、冲击荷载和摩阻力(双向)，其中的上部结构传下来的T型梁自重、台后土自重、路基土自重、混凝土自重是根据设计资料查得，而台后的车辆荷载、桥上的车道荷载及摩阻力是根据《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004计算而得。

4有限元建模计算结果与分析

4.1　侧墙与前墙隅角处的应力及水平位移分析

根据图3和图4可以看出侧墙与前墙隅角附近的应力、水平位移大小范围及分布情况，从图5和表3可知五种工况下前墙与侧墙隅角处的应力随深度的增加而增大，但深度增加到图5的B点时应力的增加速率明显减缓，这是由于承台对侧墙与前墙隅角处应力分布的影响造成的，且五种工况的应力大小依次为：工况三四>工况一二>工况五，说明台后有无车辆荷载对前墙与侧墙隅角处应力的影响较大，而桥上有无车道荷载、摩阻力方向对前墙与侧墙隅角处应力的影响较小。从图6、表4可知五种工况下前墙与侧墙隅角处的水平位移。

表2　荷载组合

随深度的增加而减小，且五种工况的顺桥向水平位移大小依次为：工况三>工况一>工况四>工况五>工况二，说明摩阻力的方向对前墙与侧墙隅角处的水平位移有较大影响，台后有无车辆荷载对前墙与侧墙隅角处的水平位移有一定影响。

图3　前墙与侧墙隅角处水平位移云图

图4　背墙与前墙隅角处应力云图

图5　前墙与侧墙隅角处应力曲线

图6　前墙与侧墙隅角处水平位移曲线

表3　不同荷载组合情况下OA线上节点的应力　　/kPa

表4　不同荷载组合情况下OA线上各节点的水平位移　　　/mm

4.2　承台的应力及水平位移分析

根据图7、图8可知承台的应力、水平位移大小范围及分布情况，从图9、表5可知五种工况下承台的应力与各点离D点的距离成反比，当距离增加到图9中的C点时承台应力发生变化，与各点离D点的距离成正比，这是由于台后土对侧墙产生土压力，侧墙将土压力传递到承台上所造成承台应力分布不均匀。五种工况的应力大小依次为：工况三>工况一四>工况二>工况五，说明摩阻力对承台应力的影响较大，而桥上有无车道荷载、台后有无车道荷载对承台应力的影响较小。从图10、表6可知五种工况下承台的水平位移与各点离D点的距离成正比，五种工况的水平位移大小依次为：工况一三>工况五>工况二四，说明摩阻力的方向对前墙与侧墙隅角处的水平位移有较大影响，台后有无车辆荷载、桥上有无车道荷载对承台水平位移影响较小。

图7　承台应力云图

图8　承台水平位移云图

图9　承台应力曲线

图10　承台水平位移曲线

节点横坐标不同荷载组合工况工况一工况二工况三工况四工况五010651025116211239923.66496167156825867.252147357052246810.859851765157152514.460552766158553216.5714635784706634

表6　不同荷载组合情况下OA线上各节点的水平位移　　　/mm

5结论

运用大型有限元软件ABAQUS对不同荷载组合情况下的轻型U型桥台进行模拟计算得出以下结论：

(1) 台后车辆荷载对前墙与侧墙隅角处的应力有较大影响，摩阻力方向对前墙与侧墙隅角处的变形有较大影响，因此在对前墙与侧墙隅角设计时，应按工况三进行设计。

(2) 摩阻力的方向对承台的应力及位移有较大影响，台后有无车道荷载对承台有一定影响，工况三对承台设计最为不利，故承台设计应按工况三进行设计。

(3) 在图7、图9中可以发现B点处的应力最大，这是由于台后顺桥向水平作用力和横桥向水平作用力同时作用在桥台上造成的，因此在对承台设计时，应该对台后两个方向的作用力同时进行考虑。

参考文献：

[1]陈军 U型桥台构造型式探讨[J]. 重庆交通学院学报2007(01).

[2]王昌武 轻型桥台设计应用的发展[J].中国市政工程，1996(01).

[3]JTG D60-2004,公路桥涵设计通用规范[S].

[4]GB 50010-2010,混凝土结构设计规范[S].

Stress analysis under different load combinations of light U-shaped abutment

YANGKuan,XUShu-ping，XUWei,ZHOUGuo-xiang

(School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023 ,China)

Abstract：The light of U-shaped abutment is a common structure of infrastructure. However, it is still inadequate about combining with the force analysis on the practical. Based on relevant codes and finiting element software ABAQUS, the stress and deformation of the U-shaped abutment is analysed which include different kinds of loads combination ,then the result of the finiting element analysis would be helpful to the light of U-shaped abutment design.

Key words：U-shaped abutment; Load combination; numerical simulation; internal force analysis;

DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2015.02.024

文章编号：2095-7386(2015)02-0108-04

基金项目：湖北省交通运输厅2012年科研项目(2012-857-2-15)；湖北省公路运输管理局科研项目(2013-351-1-11).

作者简介：吕峰(1988-)，男，硕士研究生，E-mail：382265273@qq.com.

收稿日期：2014-10-17.

中图分类号：TU 443

文献标识码：A