多荷载作用下考虑支座接触滑移的大纵坡梁桥受力分析*

2022-12-13林俊黄志刚

公路与汽运 2022年6期

林俊，黄志刚

(1.江西省公路工程检测中心，江西南昌 330013；2.江西省交通工程集团有限公司，江西南昌 330038)

中小跨径山区高速公路桥梁多采用标准化、装配式的预制T梁结构，受山区地形影响，为满足行车及通行安全要求，主梁与水平面间设置一定坡度，即大纵坡。大纵坡桥梁的T梁底部与支座接触容易发生滑移破坏，不仅影响桥梁的整体受力性能，而且一定程度上影响桥梁的安全性与适应性。国内学者对大纵坡梁桥梁底与支座的接触滑移受力性能进行了一些研究，如伍彦斌等采用弹性库仑摩擦模式的点-点接触单元、非线性弹簧单元和间隙-滑动组合单元，模拟了桥梁结构活动支座的单向受力或非对称受力行为及摩擦滑移、脱空、限位等非线性特性；翟文博等针对索膜整体张拉结构环桁架支座，提出了一种径向可滑、环向限位铰支座，并对该支座节点的受力性能进行了考虑摩擦接触的有限元计算分析，结果表明采用铰支座的模型其受力性能较好；李冲等通过对比分析考虑摩擦滑移后板式橡胶支座的力-位移滞回曲线、等效刚度、等效阻尼比及滞回耗能等力学特性与铅芯橡胶支座的异同，得出考虑摩擦滑移的板式橡胶支座可耗散大量地震能量；刘辉等以李家湾大桥为依托工程，采用ABAQUS有限元软件建立实体模型，分析了支座摩擦系数对桥墩受力的影响。上述研究多考虑支模滑移对大纵坡受力的影响，没有考虑多种荷载的组合作用。本文以江西省高速公路中常见多片T形梁桥为研究对象，建立多跨精细化大纵坡T形桥梁有限元模型，采用非线性弹簧单元模拟滑移支座，对模型施加温度、车道荷载、自重等多种组合荷载，分析考虑支座接触滑移时两跨一联40 m T梁在不同支座摩擦系数下的受力性能。

1 工程概况

某山区高速公路桥梁，其中一联为2×40 m T梁，桥面宽11.2 m，等级为公路-Ⅱ级。主梁与水平面设置5%纵坡，设计荷载包括公路-Ⅱ级车道荷载、自重及升温20 ℃的温度荷载。结构横向由5片T梁组成，其中单片T梁截面见图1。T梁采用C50混凝土，翼缘宽0.9 m，腹板厚0.2 m，梁高1.8 m，设置上梗角0.9 m×0.1 m；马蹄宽0.6 m、厚0.3 m，设置马蹄斜角0.2 m×0.2 m。下部立柱高度为30 m，采用C40混凝土，直径2.0 m。

图1 某高速公路桥梁T梁计算模型示意图(单位：m)

2 考虑水平约束的支座模拟及桥梁有限元模型建立

采用有限元软件ANSYS建立桥梁模型，T梁、盖梁、立柱等结构均根据实际尺寸模拟，T梁、盖梁和立柱采用Solid65单元模拟，立柱间横架采用Beam188梁单元模拟，各部分材料参数见表1。

表1 桥梁模型材料参数

桥梁结构整体建模中支座的处理方式一般有采用主从约束或理想约束模拟、采用线性弹簧阻尼单元模拟、采用非线性弹簧单元模拟3种。该桥采用线性调节器单元与线性弹簧阻尼单元相结合的方式对支座进行模拟，其中支座的轴向拉压性能采用Link11轴向拉压单元模拟，支座的摩擦性能采用Combin14弹簧单元模拟，并将其设置为1D轴向弹簧-阻尼器(见图2)。

图2 考虑滑移的支座模拟

模型模拟分析中考虑自重、温度荷载和车道荷载3种常见荷载，其中温度荷载考虑整体升温20 ℃，车道荷载使用车道线的布置形式(布置4条车道线)。T梁2#墩支座采用固结，立柱底部约束X、Y、Z3个方向的自由度。桥墩采用固结，主梁和桥梁之间采用水平弹簧和竖向弹簧支撑进行约束，水平弹簧根据摩擦系数大小提供不同约束，竖向弹簧根据支座刚度、直径提供相应约束。有限元计算模型见图3。

图3 考虑支座滑移的大纵坡多片T梁有限元分析模型

计算假定如下：1) 不考虑T梁横隔板的作用；2) 不考虑桥面的横坡影响；3) 主梁与支座接触，未脱离；4) 不考虑桩土相互作用的影响。

支座摩擦系数、支座参数按常温下盆式橡胶支座设置。根据JT/T391—2009《公路桥梁盆式支座》，选取摩擦系数μ分别为0.03、0.05、0.07。分析工况如下：工况1为摩擦系数0.03，1.2自重+1.4车道荷载+0.7×1.4温度荷载；工况2为摩擦系数0.05，1.2自重+1.4车道荷载+0.7×1.4温度荷载；工况3为摩擦系数0.07，1.2自重+1.4车道荷载+0.7×1.4温度荷载。其中摩擦系数的变化通过转化为Combin14单元的刚度系数与黏滞阻尼系数来实现，不同摩擦系数对应的刚度系数和黏滞阻尼系数见表2。

表2 极限摩擦阻力

3 计算结果与分析

3.1 T形主梁受力分析

T形主梁在荷载作用下跨中产生较大弯矩，两端产生较大剪力。3种工况下跨中T梁顶部节点纵桥向(Z向)应力见图4、挠度见图5，T梁两端节点应变见图6。

图4 3种工况下跨中T梁顶部节点Z向应力对比

图5 3种工况下跨中T梁顶部节点挠度对比

图6 3种工况下T梁端面顶部Z向总应变对比

从图4可以看出：支座摩擦系数从0.03增大到0.07，T形主梁跨中顶部各节点的应力增大。支座摩擦系数从0.03增大到0.05，第一跨、第二跨的峰值应力分别增大189.1 kPa、166.1 kPa；支座摩擦系数从0.05增大到0.07，第一跨、第二跨的峰值应力分别增大162.87 kPa、141.7 kPa。对于大纵坡梁桥，坡顶与坡底支座摩擦系数增大，在1.2自重+1.4车道荷载+0.7×1.4温度荷载组合作用下，坡顶与坡底T梁两端所受摩擦力增大，桥梁纵向所受应力增大。

由图5可知：坡顶与坡底处支座的摩擦系数增大时，T梁在1.2自重+1.4车道荷载+0.7×1.4温度荷载组合作用下跨中挠度减小。摩擦系数从0.03增大到0.05时，第一跨、第二跨峰值挠度分别减小1.15 mm、1.16 mm；摩擦系数从0.05增大到0.07时，第一跨、第二跨峰值挠度分别减小0.47 mm、0.38 mm。对于大纵坡梁桥，两端支座摩擦系数增大，可一定程度上减小跨中挠度。

由图6可知：坡顶与坡底处支座摩擦系数增大，T梁端面顶部节点的应变增大，其中峰值应变增大明显。T形主梁顶部节点应变出现在翼缘两端及翼缘与腹板连接处，摩擦系数从0.03增大到0.05时翼缘与腹板连接节点处应变增幅较大，达4 με。支座摩擦系数增大对大纵坡梁桥纵向应变有较大影响。

3.2 立柱与盖梁受力分析

受地形、地貌、地质条件的影响，该桥设计采用柱式桥墩。对于简支桥梁，盖梁是一个承上启下的重要构件，上部结构荷载通过盖梁传递给下部结构和基础，盖梁是主要受力结构。盖梁承受的主要荷载是T形主梁所受荷载通过支座传递的集中力，而立柱承受来自盖梁传递的集中力。不同支座摩擦系数下盖梁和立柱单元的横向(X向)应力见图7。

由图7可知：对于连续多跨的大纵坡梁桥，主梁与支座固结时，纵坡中间处盖梁及立柱所受横向应力比两端大；纵坡坡顶与坡底支座摩擦系数增大时，盖梁与立柱的横向应力增大，且最大与最小应力出现在盖梁的中间部上下端面。因此，可适当提高大纵坡梁桥盖梁与立柱材料的设计强度。