基于多因素耦合的桥梁墩柱受力分析

高 耸

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0 引 言

随着我国公路交通的快速发展，道路交通网络越发密集。其中，道路桥梁是公路交通的重要构成之一。随着公路网络密集度增加和道路间的互相交织，高架桥梁下方的回填土方现象越发普遍，会影响到桥墩受力，甚至产生安全隐患。对桥墩的多因素受力分析具有重要意义，本文采用有限元模型对高架桥进行建模，分析在多种因素耦合作用下，其桥墩受力分析。通过单因素对桥墩受力分析，及多因素耦合作用下的受力分析，得到多因素作用下对桥墩的受力影响，从而为桥墩的检测、维护、加固及改造等提供一定的参考价值。

1 研究对象

以某高架桥为研究对象，该高架桥处于带状低缓的山丘和冲积河谷凹地地貌处，地形的起伏比较大。高架桥所处地层结构较简单，主要由冲积层和碎屑堆积层构成。泥土风化程度由上至下，可以划分为全风化层、强风化层和若风化层，岩石构成主要是中粗粒的花岗岩。桥梁的上部为混凝土箱式的连续桥面，箱型尺寸为15×24 m，左右幅分布对称。桥台和分联墩上的支座采用滑板式支座，盖梁支座采用橡胶式支座。桥台处选用的伸缩缝为D80型伸缩缝，联端间的伸缩缝为D160伸缩缝。下部支撑部分采用的是柱式墩，桥墩、桩基、墩台均采用钻孔灌注。

2 桩基础模拟分析

桥梁桩基础的分析方法可分为Poulos和Randolph两类桩基础分析法，两类分析法各自具备自己的特点和优势，其中Poulos分析法采取了Mindlin解，充分考虑到了基土的连续性，能够更好的体现出桩土之间的耦合问题。可将Mindlin解法简化称之为“M”法，墩柱受侧向填土的受压分析可通过该方法进行分析。将墩桩的侧向填土看作弹性的变形体，将墩柱看作具有弹性的地基梁，利用堆土的比例系数推算出其弹性刚度。

利用Mindin公式，将桥墩和桩基视为具有弹性的地基梁，将桩基的侧图视为具有弹性的变形体，随着深度的增加，水平方向的抗力系数成线性增加，将地面平面设为0值。由于水平方向和竖直方向两个方向的压力共同作用下，桩基和承重台表面的任何一接触点上的应力，其数值和该位置的法向上的位移量成正比例关系。忽略堆土与桩体间的摩擦力和黏着力，同时忽略堆土与承重台侧面的摩擦力和黏着力的影响，地基堆土的水平方向抗力系数，其比例系数记为m，其值可按照公路桥涵计算规范推算。若桩基侧面堆土有多种土层构成时，应计算在主要影响深度范围内的比例系数m，若在h深度范围内，存在两种不同土层时，可通过以下公式计算

(1)

在深度h内，不同土层构成的其m值计算可用图1表示。

图1 m值计算示意图

3 墩柱有限元模型受力分析

利用ANSYS构造有限元模型，可分别独立分析单一变量对桥墩的受力情况。该高架桥上节点可分成两类，一类为上部结构箱梁和支座之间的节点，另一类为盖梁和支座间的节点，两类节点间进行节点耦合约束。另外，下部的墩柱嵌入地下的深度为1 m，可认为墩柱与地基之间为固结连接。利用该有限元模型，可分别对温度应力、自重作用、移动载荷等因素对桥墩的受力分析。

4 多因素耦合下墩柱受力性能分析

在基础模型的基础上，考虑下部桩基及两侧填土对墩柱的受力影响，同时考虑桥面上的车辆载荷。将移动载荷、桥下桩基、桩基侧面填土对墩柱的受力进行复合考虑，考虑多因素之间的耦合关系。取一个墩定为测试点，采集墩顶纵向位移和墩低轴力，分别获取三种情况下的数据：(1)仅填土作用；(2)填土和移动车载共同作用；(3)填土、车载、桩基三个因素共同作用，获取数据如表1所示。有表中数据可知，由于多种因素的共同耦合作用，墩顶纵向位移成指数特性增大，墩低轴力也有明显降底。

表1 多因素作用下墩柱受力分析

5 结 论

本文对移动车载、回填土方、桩基等多因素对桥墩受力的耦合影响进行了建模及分析，通过对具体对象的建模及计算，获取桥墩的受力数据和位移数据，验证了模型及分析方法的可行性，可为桥墩检测与加固维护提供一定的参考意义。