基于Ansys的连续刚构桥和斜坡相互影响机理研究*

樊旭 周文皎 邱树茂 万军利

1. 云南省建设投资控股集团有限公司 云南 昆明 650000；2. 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所 北京 100081；3. 北京交通大学 土木建筑工程学院 北京 100044

引言

我国滇西北大部分地区都属于多山丘陵区域。随着国民经济的飞速发展，大量的高速公路在滇西北山区开始修建，势必需要跨越河流，山丘，因此需要许多大幅度的桥梁。云南省香格里拉至丽江高速公路（以下简称香丽高速公路），路线全长140.305km，其中主线长125km，连接线长15km。根据国家公路网规划（2013年-2030年）和云南省干线公路网布局方案，香丽高速公路是国家高速公路网北京至西藏高速公路的西宁～丽江联络线（G0613）中的一段，也是云南省干线公路“9210”骨架网中昆明至德钦公路的重要组成部分，在云南省干线公路规划中起主骨架作用。本段公路向南经大丽高速与国高网G56杭瑞高速相接，形成以滇西北地区的主骨架布局，后期高速公路向北经迪庆州通往西藏、青海、甘肃、四川等省区，进而连通新疆、内蒙古等地，是云南进出西藏的主要通道之一，因此本项目的建设对完善国家、云南省高速公路网，改善西部地区公路交通现状，快速连接西藏、青海、甘肃、四川等省区及对外口岸具有重大意义[1]。

1 工程概况

本文计算是以香丽高速的洼里别大桥及周边斜坡为例，洼里别大桥位于云南省迪庆藏族自治州香格里拉市虎跳峡镇境内，为跨越山谷而设，香格里拉岸连接路基、丽江岸与隧道相连，是香格里拉至丽江高速公路控制性工程之一。该桥位于分离式的路线段，起止里程为K63+020至K63+790。左幅桥跨布置为：54m钢箱组合梁+（73+130+73）m连续钢构+54m钢箱组合梁，桥长（不含桥台）为384m。右幅桥跨布置为：（2×45）m钢箱组合梁+（73+130+73）m连续钢构+54m钢箱组合梁，桥长（不含桥台）为420m，单幅桥宽为12m。

2 数值模拟

2.1 计算模型与材料参数

桥梁和抗滑桩钢筋混凝土材料、斜坡土体的本构模型为线弹性。桥面与斜坡的接触面采用SURF154，桥梁桩基础与斜坡、抗滑桩与斜坡和预应力锚索与斜坡均采用整体式模型，桩土摩擦系数取μ=0.3，斜坡单元平均尺寸为5m，钢筋单元网格大小为0.5m，混凝土结构网格0.6m。模型如图1所示[2]。根据地质资料，计算中采用的物理力学参数见表1。

图1 洼里别连续刚构桥和桥梁所处环境斜坡的共同作用有限元模型

表1 模型各部分单元类型及物理力学参数

2.2 单独模型计算结果分析

有限元计算可知洼里别连续刚构桥有限元模型的ANSYS分析结果，在重力作用下，斜坡的最大位移为主桥跨中合龙段截面的-0.1453m，全桥顺桥向应力较小，应力最大的截面是主跨跨中合龙段截面顶面的23.9799MPa和底面的11.5179MPa，另有各个桥墩上方桥面截面应力较大，其余部分接近于0[3]。

采用强度折减法分析斜坡的稳定性，折减系数F=1.2、1.3时，计算均能一步收敛，当F=1.35时，不收敛，出现上下两条塑性带。此处安全系数有所增大，大里程段斜坡安全系数为1.35，说明抗滑桩对于斜坡起到一定的加固作用。出现上下两条塑性带说明，此时浅表层滑面发生蠕动变形，而深层塑性尚未贯通。变形主要存在于新滑坡体的主滑段和牵引段，并未延伸到抗滑段。应变最大的位置在前后两排抗滑桩之间，此处浅表层土体受到支挡和防护作用较小，因此变形会大于其他位置[4]。

3 共同作用模型计算结果分析

3.1 天然工况下

当施加桥梁所处环境斜坡后，桥梁主桥合龙段跨中截面竖直向位移虽略有增大，为-0.1536m，但仍满足相关规范要求。同时由于全桥竖向整体发生向下位移，可视为中跨截面变形满足要求。由于斜坡作用导致桥梁两侧桥面在竖直方向上的位移较大，位移最大点在丽江岸一侧，达到-0.01816m，其与相邻桥墩墩顶桥面的相对位移也有0.07～0.08m，虽满足规范对桥涵挠度变形的要求，但已接近0.09m的限值。斜坡作用对于连续刚构桥结构的顺桥向应力有所减小，但桥梁桩基础底部顺桥向应力增大较为明显，这说明两侧斜坡外力作用通过桩基础和桥墩的传导，使桥面应力分布更加合理[5]。

在斜坡外力作用下，主桥两个桥墩顺桥向位移发生反转，由向两侧分开变为向中间聚拢，丽江岸主桥桥墩位移变化超过0.07m。在斜坡作用下，丽江岸桥墩墩顶位移最大，为0.04619m。

与斜坡模型塑性应变云图相比，桥梁整体结构的施加对于原有的斜坡塑性应变有略微的降低作用。这说明桥梁结构对于普通工况下的斜坡尤其是上半部分的软弱土体有一定的加固作用。塑性变形主要存在于两排抗滑桩后方的主滑段和牵引段以及两排抗滑桩中间施工便道下方位置，处于主滑带蠕动变形阶段，滑面尚未贯通，并未引起斜坡整体变形。塑性区分布较为分散[6]。

图2 共同作用模型：塑性应变云图

3.2 斜坡失稳极限工况

由于斜坡安全系数在1.35左右，在分析斜坡失稳状态下斜坡对桥梁的影响时，在斜坡与桥梁共同作用模型中，采用折减系数F=1.35对斜坡强度进行折减。得到以下结果。

对比可知，在斜坡发生失稳产生塑性变形时，由于桥梁两侧桥墩受到挤压，在中跨合龙段截面位移有略微减小。但在丽江岸一侧的桥面竖直向位移增大较多，其与相邻桥墩墩顶桥面的相对位移也增大了约有0.007m，需重点检测[7]。

与普通工况下的桥梁斜坡共同作用模型相比，在斜坡失稳时，主桥桥墩的墩顶截面与其上方桥面相对位移进一步增大，香格里拉岸桥墩约为0.025m，丽江岸约为0.040m。此时主桥桥墩的墩顶截面应力、桩底应力也进一步增大，桥梁尚未发生塑性形变，桥梁结构应力仍在限值以内。

在发生斜坡失稳时，桥梁施加后的斜坡塑性应变增幅较大，这是由于在斜坡失稳时，桥梁对斜坡的加固作用已经不足抵消桥梁重力的影响。前排抗滑桩方是斜坡塑性应变最大的区域且增幅最大，处于斜坡与洼里别大桥的桥面接触部位以下，坡体滑移会导致桥梁悬空面增加，进而影响整个桥梁结构。除此之外，斜坡失稳在桥面上部堆积也会产生不利影响[8]。

3.3 香丽高速洼里别大桥两岸工况

3.3.1通过对桥梁和斜坡体的数值模拟分析，可以总结出连续刚构桥和斜坡的相互影响机理：两侧斜坡的下滑力均对与之接触的桥梁桥面两侧截面、桥墩和桩基础的作用明显；桥梁桥墩和桩基础对于斜坡上部分土层有一定的加固作用。

3.3.2在斜坡发生失稳产生塑性变形时，由于桥梁两侧桥墩受到挤压，在中跨合龙段截面将更加安全。但在桥梁两侧的桥面变形较大，与其相邻桥墩墩顶桥面的相对位移的增大也较多。主桥桥墩墩顶截面顺桥向变形增幅不大。桥梁对斜坡的加固作用已经不足抵消桥梁重力的影响，大里程端桥面附近斜坡是十分危险。

3.3.3基于大桥是整段线路的控制性工程，梁两侧桥面、合龙段跨中截面、主桥两个桥墩是桥梁变形和应力的关键位置，需长期监测。而斜坡虽处于稳定状态，但一旦发生坡体失稳下滑并在桥面、桥墩处堆积或桥面下土体滑动等情况，势必给全桥结构带来影响。

4 结束语

综上所述建议对斜坡采用削方减载、及时清理等手段，以应对危险工况。