整体式无缝桥梁非线性有限元计算模型研究

郑秀勤 吴 鸣

(汕头大学，广东 汕头 515063)



整体式无缝桥梁非线性有限元计算模型研究

郑秀勤 吴 鸣

(汕头大学，广东 汕头 515063)

以已建整体式无缝桥梁为例，利用大型有限元软件ABAQUS，采用理想线弹性模型，模拟桥梁主体结构，并在考虑地基初始地应力平衡下，建立了整体式无缝桥梁与台后土体及桩周土体相互作用的三维非线性有限元计算模型，分析在自重及温度荷载作用下整体式无缝桥梁的受力情况，通过与实桥的应力实测值和其他不同方法进行对比分析，从而验证所提出计算模型的可行性。

整体式无缝桥梁，有限元模型，温度荷载，受力情况

0 引言

由于温度变化和混凝土收缩徐变等作用，桥梁结构产生伸缩变形，为了避免它对桥梁结构内力产生不利影响和保证行车顺畅，故而在梁端之间和梁端及桥台背墙之间设置伸缩缝(纵向变形缝)。伸缩缝长期暴露在大气环境中，同时不断遭受车辆的冲击作用，破坏频率较高，一般3年～5年就需要修补或更换，成本较高，同时衍生出的桥梁病害也不少：1)漏水：这是伸缩缝破坏后，直接产生的后果，水从伸缩装置往下渗入主梁端部、支座以及下部结构的钢筋混凝土，对桥梁结构造成腐蚀和损害；2)行车桥头跳车：伸缩缝破坏，导致与桥台之间出现不同高低的台阶，研究表明，台阶处高差超过1 cm，行车就会感觉到明显的颠簸；3)桥台破坏：漏水对桥台混凝土结构进行腐蚀；桥头跳车加剧了车辆冲击荷载，加快桥台沉降速度，反过来又会加剧桥头跳车，形成一个恶性循环；4)交通事故：过大的桥头跳车现象，可能导致汽车弹簧钢板振断等问题，造成严重的非人为交通事故。

针对以上问题，许多研究学者都在寻求解决方法，得到的结论是：“最好的伸缩缝结构是无伸缩缝”——Henry Derthick。相对于有伸缩缝的桥梁，其有明显的优势：1)取消了伸缩装置，方便施工，降低桥梁造价及维护费用，消除跳车现象，同时减少对桥梁的冲击作用及减轻桥梁腐蚀现象，提高桥梁的使用寿命；2)桥梁的整体刚度增大，活载在桥梁纵横向的分布更加均匀，上部结构的钢筋用量降低，同时桥台更轻更小，下部结构的混凝土用量也较少；适用于旧桥改造工程；3)抗震能力较有伸缩缝桥梁大大提高，日本的测试表明：使用整体式桥台可以增大阻尼力。

从世界各国的发展进程来看，对于整体式无缝桥梁的建造都先于理论发展，设计计算及建造基本靠工程师的经验，且至今国外都没有成熟公认的设计标准，比如美国各个州对无缝桥梁的允许桥长等设计规定都不一样，主要原因是复杂的土—结构共同作用，没有简便统一的计算模型，导致结构的受力性能难以计算准确，所以有必要对整体式无缝桥梁的计算模型进行深入的研究。我国国内对于台后土压力多采用“m”法，桩周土压力多采用“p—y”曲线，相关研究大多数是通过ANSYS软件进行建模分析，对于非线性研究存在缺陷，ABAQUS大型非线性有限元分析软件对复杂的力学问题和高度非线性问题有着强大的模拟和处理能力，相信能更好地模拟整体式无缝桥梁中复杂的土—结构共同作用。

1 整体式无缝桥梁ABAQUS有限元计算模型

1.1 已建整体式无缝桥梁简介

本文选用广东省清远市四九桥为实例，它是我国第一座整体式全无缝桥梁，由清远市公路局与湖南大学土木工程学院合作，希望彻底解决桥头跳车这一难题。广东省清远市位于亚热带海洋性季风区，气候湿热多雨，全年最高温36 ℃，平均最低温为3 ℃。四九桥是一座四跨钢筋混凝土连续钢构整体式桥梁，其立面图如图1所示，全长75.48 m，桥面宽度8.50 m，总温度计算跨长51.48 m。全桥无一个制作，也无一道伸缩装置，路桥连接处也没有设缝。上部结构采用实体板梁结构，梁宽8.50 m，高0.75 m；下部结构采用双柱式轻型桥墩，挖孔桩基础，桥梁横断面如图2所示；桥台台高3.80 m，桥台下部为独桩基础，直径为1.50 m，桥台构造如图3，图4所示。

1.2 建立ABAQUS有限元模型

四九桥ABAQUS有限元模型如图5所示，采用几何部件建模，模型共有两个部件：桥梁结构和土体。由于结构对称，只建立了全桥半结构模型。

1.2.1 桥梁结构

桥梁结构模型如图6所示，包括主梁、桥墩、桥台、桩基，由于桥梁主体结构在荷载作用下的变形远小于台后土，桩周土的变形，整体式桥梁结构作为理想的线弹性模型，采用3D8节点实体单元进行模拟。桥梁结构各单元材料特性及参数如表1所示。

表1 桥梁结构材料参数

桥梁结构容重/kN·m-3弹性模型/MPa泊松比线膨胀系数/℃-1主梁25325000．21．0e-5桥墩、桥台25300000．21．0e-5桩基、搭板25280000．21．0e-5

1.2.2 土体

在水平荷载作用下，一般认为水平方向上桩周约20倍桩径范围外的土体受到的桩的影响可忽略不计。在竖向方向上桩底以下1倍桩长范围外的土体受到桩的影响可忽略不计。因此本文土体范围为路堤侧搭板后1倍搭板长度，桥墩侧桩外20倍桩径，桩底下1倍桩长的范围，土体范围如图7所示。

土体的本构模型均采用Mohor-Coulomb模型，采用3D8节点实体单元进行模拟。根据实际土体物理力学指标及参考文献[1]，台后土、桩周土及路堤土的土体材料参数数据如表2所示。

表2 土体材料参数

1.2.3 边界条件、土—结构的相互作用及荷载

模型边界条件如下：

1)在桥梁结构对称截面处处理为固定约束，即不允许发生任何位移；

2)为了简化模型计算，桥墩底部直接采用固结处理；

3)土体底部采用固结处理，外侧径向约束。

土—结构之间的相互作用，通过定义接触对接触面的力学模型进行，充分考虑材料非线性和接触非线性。

在本有限元模型中，荷载仅考虑结构自重以及温度变化。由于四九桥合龙时基本是全年最低温，为8 ℃，一年当中基本为温升过程，而当地平均最高温为35 ℃，故本文工况考虑为自重+30 ℃升温。

2 有限元计算值与实测值对比分析

2.1 实测点位置

对于整体式无缝桥梁来说，桥台与主梁结合处，桥台与桩基连接处均为结构受力的关键部位，为了验证本文所提出的ABAQUS有限元三维模型的正确性，选取参考文献[1]中的部分测点：主梁梁端上缘，主梁梁端下缘，桥台顶部内侧，桥台顶部外

侧，桩基顶部内侧，桩基顶部外侧。具体位置可查阅文献[1]的内容。为下文方便，将各测点位置用字母代替如下：主梁梁端上缘(ZLSY)，主梁梁端下缘(ZLXY)，桥台顶部内侧(QTNC)，桥台顶部外侧(QTWC)，桩基顶部内侧(ZJNC)，桩基顶部外侧(ZJWC)。

2.2 各位置应力值对比分析

对于整体式无缝桥梁中台后土和桩周土的模拟，国内现在常用的两种方法主要是“m”法和相对应的“p—y”曲线法模拟台后水平抗力和桩侧土压力，并使用ANSYS有限元分析软件进行建模。根据参考资料，下面同时对这两种方法得到的计算值与实测值和本文采用的ABAQUS建模方法的计算值进行比较。

四九桥采用低温合龙，桥梁基本上都处于温升状态，且在150 d～200 d之间，温升值最大，故各位置应力值取在这段时间中最大值与计算值进行比较，比较合理。表3为各实测位置各计算值与实测值应力对比，同时与现在常用的两种计算方法进行比较，分别是“m”法和“p—y”曲线法，均是用ANSYS进行建模的。应力值正负号规定：拉“+”，压“-”。

表3 计算值与实测值比较

从表3结果可知：

1)对于主梁和桥台，各计算值与实测值相对误差都比较小，对于本文所建模型相比其他两种方法更接近实测值，说明该ABAQUS有限元模型基本上是合理的。

2)对于桩基，各计算值与实测值相对误差都比较大，但是都偏于安全，这是由于模型计算时都将桩周土简化成一种类型土，而实际中的各层土体都不一样，导致实测数据与计算值相差比较大。

3)本文采用的ABAQUS模型相对“m”法和“p—y”曲线法相对精确，可以进行更多的分析研究。

3 结语

1)本文建立的整体式无缝桥梁与台后土体及桩周土体相互作用的三维有限元计算模型是可行的，相对ANSYS建模采用“m”法、“p—y”曲线法更精确可靠；

2)对于桩基内力可以对土体分层进行更进一步的研究。

[1] 马 竞.整体式全无缝桥梁研究与实践[D].长沙：湖南大学,2002.

[2] 彭大文,陈晓东,袁 燕.整体式桥台桥梁台后土压力的季节性变化研究[J].岩土工程学报,2003(2)：92-93.

[4] Faraji, S., Ting, J., Crovo, D., et al. Nonlinear Analysis of Integral Bridges: Finite-Element Model[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2001,127(5):454-461.

[5] 王彭彭.超长无缝桥梁整体式桥台中桩长、桩径对其受力性能影响的研究[J].福建质量管理，2016(1)：34-36.

Non-linear finite-element model for analysis of integral and jointless bridges

Zheng Xiuqin Wu Ming

(ShantouUniversity,Shantou515063,China)

Taking a built integral bridge for an example, 3D finite-element models of integral bridges and soils were established by using the large-scale finite element analysis software ABAQUS. The bridge structure was simulated by the ideal linear elastic model, and the initial stress balance of the foundation was also considered. In this paper, force performance of integral bridges was analyzed considering the dead load and thermal load. Comparing to the measured stress values from the built bridge, the finite-element model would be verified.

integral and jointless bridges, finite-element model, thermal load, force performance

1009-6825(2016)32-0183-03

2016-09-07

郑秀勤(1991- )，女，在读硕士； 吴 鸣(1975- )，男，副教授

U441

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