整体式无缝桥梁桥台高度对主梁受力性能研究

张 帆

(深圳市交运工程集团有限公司，广东 深圳 518003)



整体式无缝桥梁桥台高度对主梁受力性能研究

张 帆

(深圳市交运工程集团有限公司，广东 深圳 518003)

利用大型有限元软件ABAQUS，建立了整体式无缝桥梁全桥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，分析了在砂类土地基中，不同桥台高度在自重及温度荷载作用下对整体式无缝桥梁主梁的受力影响，得出了一些有益的结论。

整体式无缝桥梁，温度荷载，桥台高度，ABAQUS

0 引言

相对于有伸缩缝桥梁，无缝式整体式桥梁有其明显的优势：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。整体式无缝桥梁应用于量大面广的中小桥，改变了过去的设计思想，是桥梁建设领域的一大进步，在世界各国得到大力推广应用。

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中复杂的土—结构共同作用。本文利用大型有限元软件ABAQUS，建立了整体式无缝桥梁全桥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；分析在砂类土地基中，不同桥台高度在自重及温度荷载作用下对整体式无缝桥梁主梁的受力影响。

1 整体式无缝桥梁ABAQUS有限元计算模型

1.1 计算参数

桥梁结构、土体材料参数如表1～表4所示。

表1 整体式无缝桥梁结构材料参数

表2 地基土(粘性土)计算参数

表3 台后填土计算参数

表4 路堤土计算参数

1.2 有限元模型

在整体式无缝桥梁中，桥台与主梁连接，又与桩基连接，同时在主梁发生变形时，又与台后填土之间相互作用，而且根据相关研究表示，合适的桥台设计对桥梁结构的影响比较大，而且桥台结构尺寸中最重要的参数就是桥台高度的取值。为了较为完整系统地分析不同桥台高度对整体式无缝桥梁在自重和温度荷载作用下受力性能的影响，根据国内外已建的整体式无缝桥梁桥台高度的经验值，本章利用大型有限元分析软件ABAQUS分别建立了不同桥台高度为2 m,3 m,4 m,5 m的桥梁结构—土体模型进行参数分析。模型采用几何部件建模，模型共有两个部件：桥梁结构和土体。结构与土体通过定义接触对，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。整体式无缝桥梁采用线弹性模型，土体均采用Mohr-Coulomb(摩尔库仑)模型，与线弹性模型联合使用。四九桥ABAQUS有限元模型采用几何部件建模，模型共有两个部件：桥梁结构和土体(见图1，图2)。由于结构对称，只建立了全桥半结构模型。

1)在模型中考虑了如下非线性问题：

a.桥台与台后填土之间的非线性相互作用；b.桩基与桩侧土之间的非线性相互作用；c.搭板与路堤土之间的非线性相互作用。

2)模型中采用的假设如下：

a.不考虑混凝土收缩徐变、汽车荷载的影响；b.不考虑沥青混凝土面层的影响；c.温度荷载只考虑对主梁的作用。

3)模型边界条件处理为：

a.在桥梁结构对称截面处处理为对称约束，即仅允许发生竖向位移；b.为了简化模型计算，桥墩底部直接采用固结处理；c.土体底部采用固结处理，外侧径向约束。

2 砂类土地基中桥台高度对主梁受力结果分析

整体式无缝桥梁相比于有缝桥梁的特点是其上部结构与下部结构连成一个整体，在水平荷载下，主梁、桥台、柔性桩基础、台后填土及地基土共同作用，其作用性能非常复杂。本章以下内容分别阐述了在不同桥台高度中，温度作用下对整体式桥台的主梁内力、桥台内力、桩基内力、搭板内力等的影响。分析主要考虑两种工况，工况一：重力作用下升温30 ℃时；工况二：重力作用下降温20 ℃时。

根据整体式无缝桥梁的受力特点，本文分析中各参数对以下各截面的受力和变形进行研究：

1)主梁边跨跨中受力(如图3中ZLA位置、ZLB位置)；

2)主梁边跨靠近桥台梁端受力(如图3中ZLC位置、ZLD位置)。

图4～图7分别表示在地基条件和桥梁长度等其他因素相同时，不同桥台高度对于主梁边跨跨中弯矩、主梁边跨跨中轴力、主梁边跨梁端弯矩、主梁边跨梁端剪力的影响。其中轴力以受拉为“+”，受压为“-”，弯矩以主梁上缘受拉为“+”，上缘受压为“-”。工况一：自重+升温30 ℃；工况二：自重+降温20 ℃。

由图4～图7可知：

1)对于主梁边跨跨中位置弯矩，工况一时随着桥台高度的增加，跨中弯矩非线性减小；工况二时随着桥台高度的增加，跨中弯矩线性减小。因此，一定范围内，无论升温还是降温情况下，桥台高度越高，边跨跨中弯矩越小。

2)对于主梁边跨跨中位置轴力，工况一时随着桥台高度的增加，跨中轴力几乎没有影响；工况二时随着桥台高度的增加，跨中在2 m，3 m桥台高度时受拉，在4 m，5 m时受压，此时对结构受力比较有利。因此，升温时，主梁边跨跨中受压；降温时，在其他设计条件相同的情况下可以选择3 m以上的台高。

3)对于主梁边跨靠近桥台梁端位置弯矩，工况一时随着桥台高度的增加，梁端弯矩非线性增大；工况二时随着桥台高度的增加，梁端弯矩线性增大。因此，一定范围内，无论升温还是降温情况下，桥台高度越高，边跨靠近桥台梁端越大。

4)对于主梁边跨靠近桥台梁端位置剪力，工况一、工况二时随着桥台高度的增加，梁端剪力稍稍增加。因此，桥台高度对主梁靠近桥台梁端处剪力影响不大。

5)总体上，桥台高度越高，主梁靠近桥台梁端受力越大，跨中受力越小，值得注意是降温时在4 m，5 m台高时主梁受压，对结构有利，因此，其他设计条件相同时，可以优先考虑4 m高的桥台结构。

3 结语

在整体式无缝桥梁中，在温度荷载作用下，桥台高度越高，主梁靠近桥台梁端受力越大，跨中受力越小，值得注意是降温时在4 m,5 m台高时主梁受压，对结构有利，因此，其他设计条件相同时，可以优先考虑4 m高的桥台结构。

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Study on major beam stress performance of integral-seamless bridge abutment height

Zhang Fan

(ShenzhenJiaoyunEngineeringGroupCo.,Ltd,Shenzhen518003,China)

Applying large-scale finite element software ABAQUS, the paper establishes three-dimension nonlinear finite element calculation mode of mutual interaction among integral-seamless bridge abutment and post-abutment soil and soil surrounding the pile, analyzes the stress impact of different abutment height upon integral-seamless bridge beam under self-weight and temperature load action in sandy soil foundation, and finally draws some beneficial conclusions.

integral-seamless bridge, temperature load, abutment height, ABAQUS

1009-6825(2017)14-0171-02

2017-03-06

张 帆(1970- )，男，工程师

U441

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