基于严寒环境下Y型桥墩单调加载时受力分析

范长春

(沈阳建筑大学交通工程学院 辽宁 沈阳 110168)

在现代桥梁设计中，人们对桥墩的要求越来越偏向占地面积小且造型优美，满足受力要求的同时也为城市增加色彩，因此独柱式Y型桥墩以其较小的占地面积、较美的造型成为了今后城市桥梁系统的发展趋势。同时国内外学者关于钢筋混凝土桥墩也进行了大量有意义的研究工作，取得了丰硕的研究成果[1-4]。

一、工程背景

辽宁省某市新二环路建设全线采用城市高架桥Y型预应力混泥土桥墩如图1所示，墩底截面尺寸为160 cm × 500 cm，两墩肢截面尺寸为 160 cm × 190 cm，两肢臂弯曲处的半径为1500cm，墩顶以下30cm处设置两肢臂间的横向联系梁，墩顶以下440cm处设置高度为60cm，半径为70cmU形槽。

图1 高架桥Y型桥墩

二、有限元模型的建立

(一)计算参数的选取

对于C40混凝土，泊松比：0.1667，弹性模量：3.25×104Mpa，容重为26.5kN/m3。对于HRB335钢筋，泊松比：0.1667，弹性模量：2×105MPa。对于预应力精轧螺纹钢筋，张拉吨位：635kN，泊松比：0.3，弹性模量：1.95×105MPa，容重为 82.5kN/m3，标准强度：930MPa。对于轴压比，分别选用0.3、0.5、0.7的大小，对于墩高，分别选取8m、10m、12m的高低进行数值分析。

(二)有限元模型

假设钢筋和混泥土之间的粘结是理想性，利用ABAQUS有限元仿真软件对高架桥Y型桥墩进行理想弹塑性模型的模拟，取8节点六面体单元C3D8R的混凝土构件，取两节点三维桁架单元 T3D2的钢筋，有限元模型取8米桥墩为例如图2所示。

(a)桥墩混凝土 (b)桥墩钢筋笼

(三)载荷施加与边界条件

(1)荷载施加

本文建立的城市高架桥Y型桥墩的有限元模型，共分成四个分析步来进行荷载施加：

第一步是整体温度荷载的施加。本文研究在严寒环境的背景下，根据《公路桥涵设计通用规范》考虑最高的有效温度为34℃，最低的有效温度为-23℃，采取温降的方式进行有限元分析[5]。

第二步是施加预应力。直接施加预应力会比较繁琐，故此采用温差法来模拟预应力筋对钢筋的预加力的作用。

第三步施加轴压比的作用。

第四步是位移加载，采用一次函数的单调加载方式。

(2)边界条件

桥墩的墩底限制6个自由度，桥墩顶部自由无约束，墩顶的截面处施加轴向压力。图3为模型的边界条件及加载示意图。

图3 模型的边界条件及加载示意图

三、参数分析

桥墩的墩顶边界条件对桥墩的受力性能有很大的影响，墩顶的约束越多，桥墩的受力性能就会明显提高。因此，在实际工程中应采取相应的有效措施来保证节点所受的约束。本文讨论了轴压比、桥墩高度对城市高架桥Y型桥墩受力性能的影响规律。由于Y型桥墩截面形状的特殊性，为了更贴合实际，考虑了两个方向进行位移加载，即：顺桥向加载和横桥向加载。各个参数的受力性能分析是基于桥墩模型单调加载后的荷载位移曲线，其中Pu表示极限荷载，Δu表示极限荷载对应的位移。

(一)轴压比的影响

由于轴压比的大小对模型的静力性能有较大的影响[6]。本文在有限元模型分析中，采用轴压比分别为0.3、0.5和0.7。轴压比参数分析模型见表1。

表1 轴压比相关参数

桥墩的荷载与位移曲线是桥墩静载试验的一个基本要求和重要结果。通过对轴压比三组不同的模型进行单调加载模拟，得到不同轴压比下的桥墩荷载位移曲线如图4和图5所示，其分别表示不同轴压比在顺桥向和横桥向加载时的荷载位移曲线，可以看出无论是在顺桥向加载还是横桥向加载，轴压比大小的变化对桥墩极限荷载和其对应的位移的影响在图形形状趋势走向表现一致。

图4 不同轴压比荷载位移曲线(顺桥向)

图5 不同轴压比荷载位移曲线(横桥向)

桥墩的初始刚度在不同轴压比下基本保持一致，桥墩的极限荷载大小随着轴压比的增大而增大，其对应的位移却逐渐减小，也就是说，随着轴压比的增大桥墩达到极限荷载所需时间也越来越小。

从表2和表3可以推出：与轴压比0.5相比较，轴压比0.3的极限荷载降低幅度要大于轴压比0.7的提升幅度，结合桥墩的初始刚度变化不大，可得出轴压比由0.3增大到0.7时，轴压比的增加对桥墩的受力性能的影响幅度开始减小。

表2 不同轴压比分析结果(顺桥向)

表3 不同轴压比分析结果(横桥向)

(二)墩高的影响

桥墩的高度对桥墩的受力特性有着很大的影响，一般来说，在截面不变的条件下桥墩越高结构越柔。本节建立了三种不同高度的Y型桥墩模型，桥墩高度分别为8m、10m、12m，轴压比取0.7，表4为不同墩高的相关参数。

表4 墩高的相关参数

Y型桥墩在三种不同墩高下的荷载位移曲线见图6和图7，可以看出桥墩高度的变化对其初始刚度、极限荷载有很大的影响，而且墩高在顺桥向的影响要大于横桥向，由于截面形式的不同，顺桥向极限荷载相对于横桥向较小。桥墩越高，初始刚度和极限荷载就越小，说明了随着桥墩高度的增加，桥墩中部易发生弯曲，影响其受力性能，从而导致其承载能力下降。所以，在条件允许的情况下，尽可能的降低桥墩高度有利于提高桥墩的受力性能。

图6 不同墩高荷载位移曲线(顺桥向)

图7 不同墩荷载位移曲线(横桥向)

表5 不同墩高分析结果(顺桥向)

表6 不同墩高分析结果(横桥向)

四、结论

(1)在严寒环境下，城市高架桥Y型桥墩的轴压比的增加能显著的影响桥墩的受力性能，桥墩的承载能力会随着轴压比的增大而提升。所以，选取合适的轴压比可以提高Y型桥墩的受力性能。

(2)在严寒环境下，城市高架桥Y型桥墩的墩高越高，初始刚度和极限荷载就越小，因此，在工程中尽可能的降低桥墩高度有利于提高桥墩的承载能力。