靜風(fēng)荷載對高墩大跨橋梁位移影響分析

段翔遠(yuǎn)，徐井芒，陳 嶸

(西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

靜風(fēng)荷載對高墩大跨橋梁位移影響分析

段翔遠(yuǎn)，徐井芒，陳 嶸

(西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

為了研究靜風(fēng)荷載對高墩大跨橋梁縱橫向位移的影響，為高墩大跨橋梁上鋪設(shè)無縫線路、無砟軌道提供理論依據(jù)，運(yùn)用有限元軟件ANSYS，建立橋梁—墩臺—基礎(chǔ)相互作用一體化模型，分析了靜風(fēng)荷載對橋梁縱向位移、橫向位移的影響以及不同橋型對靜風(fēng)荷載抵抗能力的影響。結(jié)果表明，靜風(fēng)荷載作用下，高墩大跨橋梁會產(chǎn)生較大的縱橫向位移;在最大風(fēng)荷載作用下，橫向位移產(chǎn)生的軌向不平順值未超過高速鐵路軌向不平順管理值，且不會影響無縫線路的穩(wěn)定性;靜風(fēng)荷載下引起梁體和墩臺縱向位移會影響梁軌相互作用;采用剛構(gòu)橋較連續(xù)梁橋有利于控制風(fēng)荷載對橋梁變形的影響。

靜風(fēng)荷載 高墩大跨 縱向位移 橫向位移

對于鐵路橋梁中的大跨度高橋墩，風(fēng)荷載是影響其結(jié)構(gòu)安全的重要因素。由于該類型橋梁跨度大、墩高以及相鄰墩的墩高差大，這使得在靜風(fēng)荷載作用下墩的根部會產(chǎn)生較大的內(nèi)力，橋梁在橫向會產(chǎn)生較大的不均勻位移［1-2］，這會對橋梁上鋪設(shè)無砟軌道、無縫線路產(chǎn)生不利影響。為了研究其不利影響，為高墩大跨橋梁上鋪設(shè)無砟軌道、無縫線路提供理論依據(jù)，本文以某路線中高墩大跨橋梁為例，利用有限元分析軟件ANSYS建立高墩大跨橋梁在靜風(fēng)荷載作用下的分析模型［3-4］，研究縱橋向、橫橋向風(fēng)對橋梁縱橫向位移的影響，分析過程中對于剛性較大的橋梁，只考慮平均風(fēng)壓(即穩(wěn)定風(fēng)壓)的作用［5］。

1 計算模型及參數(shù)

1.1 計算模型

高墩大跨鐵路橋跨徑布置為92 m+168 m+92 m，其總體布置見圖1。主梁橫截面為單箱單室變截面，端支座和主梁跨中梁高為6.0 m，中支點處梁高為11.5 m，其間梁高按二次拋物線變化。邊墩(3#和6#墩)采用矩形截面實心墩，墩高37 m;中墩(4#和5#墩)采用矩形截面空心墩，墩高112 m。橋墩基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁，邊墩和中墩下的樁基礎(chǔ)直徑分別為1.5 m和2.5 m，樁長為20 m。

圖1 大橋總體布置示意

本文利用ANSYS軟件開發(fā)的體系結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行二次開發(fā)，編制了該高墩大跨橋在靜力風(fēng)載作用下的有限元程序，采用APDL(ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言)來控制程序流程，自動完成有限元建模、荷載施加和方程求解。結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

模型中梁體、橋墩和樁均采用空間梁單元Beam188單元模擬，承臺采用實體單元 Solid45模擬;承臺、樁與土之間的相互作用采用等代土彈簧單元Combin14模擬。

1)梁體。按照設(shè)計圖的要求，梁體為單箱單室變截面梁，模型中，每2 m形成一個箱形截面，共形成了177個截面，即176個變截面梁，如圖3所示。

圖3 梁體截面

2)橋墩。模型中以實心矩形變截面梁模擬邊橋墩，每2 m劃分一個單元，共38個單元;中橋墩的上部以空心矩形變截面梁模擬，下部以實心矩形變截面梁模擬，每2 m劃分一個單元，共112個單元。

3)承臺。由于承臺與許多樁基礎(chǔ)相連，為方便建模，以實體單元模擬承臺，在承臺與上部梁體連接面和承臺與下部樁基礎(chǔ)連接面上形成了剛性區(qū)域，如圖4所示。

圖4 承臺與橋墩和樁的連接

4)樁基礎(chǔ)。如圖5(a)、5(b)所示，邊橋墩下樁基礎(chǔ)由1.5 m的3×5根樁組成，每2 m劃分一個單元，共300個單元;中橋墩下樁基礎(chǔ)由2.5 m的3×7根樁組成，每2 m劃分一個單元，共420個單元。

1.2 計算參數(shù)

1)單元類型

模型中共用到 Solid45、Beam188、Combin14三種單元，如表1所示。

表1 單元使用情況

2)材料性能

圖5 樁基礎(chǔ)有限元模型

C55混凝土：彈性模量E=3.60×104MPa，密度 ρ=2 650 kg/m3，泊松比 μ=0.167;C40混凝土：E=3.40 ×104MPa，ρ=2 650 kg/m3，μ =0.167;C20 混凝土：E=2.80 ×104MPa，ρ=2 650 kg/m3，μ =0.167。

3)基礎(chǔ)土彈簧剛度(見圖6)

圖6 邊墩、中墩基礎(chǔ)—土相互作用

樁—土—結(jié)構(gòu)模型是在Penzien模型基礎(chǔ)上作了改進(jìn)而成的，采用以下假定：①在同一水平層土壤為各向同性線彈性體，但不同層土壤性質(zhì)是不相同的;②側(cè)向土的性質(zhì)在2個正交方向彼此無關(guān);③土壤的抗力在軸向、側(cè)向和扭轉(zhuǎn)方向不耦合，且屬于小位移問題;④用等代土彈簧來反映土層的恢復(fù)力，其剛度用“m”法計算。

4)靜風(fēng)荷載

根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》，風(fēng)荷載強(qiáng)度可按式W=K1K2K3W0計算，式中，W為風(fēng)荷載強(qiáng)度(Pa);W0為基本風(fēng)壓值(Pa)，W0=v2/1.6，按平坦空曠地面，離地面20 m、10 min內(nèi)的平均最大風(fēng)速 v(m/s)計算確定;一般情況W0可按“全國基本風(fēng)壓分布圖”取值，并實地調(diào)查核實。K1為風(fēng)載體形系數(shù);K2為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，風(fēng)壓隨離地面或常水位的高度而異;K3為地形、地理條件系數(shù)。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 靜風(fēng)荷載對橋梁橫向位移的影響

當(dāng)該橋布置為連續(xù)剛構(gòu)橋時，在基本風(fēng)壓W0分別為500，600，700 Pa的作用下，梁體沿橋梁縱向的橫向位移如圖7(a)所示，邊墩沿墩高的橫向位移如圖7(b)所示，中墩沿墩高的橫向位移如圖7(c)所示。

圖7 不同風(fēng)壓下梁體、邊墩、中墩的橫向位移

從圖7可以看出：在靜風(fēng)荷載的作用下梁體產(chǎn)生較大的橫向位移，其最大值出現(xiàn)在梁體的中間位置，當(dāng)基本風(fēng)壓W0為500，600，700 Pa時，最大橫向位移分別為8.40 mm，10.08 mm和11.76 mm，即隨著靜風(fēng)荷載的增加，梁體的橫向位移逐漸增加;墩在靜風(fēng)荷載作用下的橫向位移隨著墩高的增加而增加，且當(dāng)墩高較低時呈線性增加，當(dāng)墩高較高時呈非線性增加，邊墩墩高為37 m，在500，600，700 Pa的靜風(fēng)荷載的作用下其墩頂?shù)臋M向位移分別為1.08 mm，1.30 mm和1.51 mm，而當(dāng)墩高增加到112 m時，其墩頂?shù)臋M向位移增加到5.22 mm，6.27 mm和7.31 mm。

根據(jù)計算橫向位移曲線，分析了10 m，42 m和120 m的最大軌向偏移值，分別為0.041 5 mm，0.494 6 mm和2.882 4 mm，均小于高速鐵路不平順管理值。

2.2 靜風(fēng)荷載對橋梁縱向位移的影響

當(dāng)該橋布置為連續(xù)剛構(gòu)橋時，在基本風(fēng)壓分別為500，600，700 Pa的作用下，梁體、邊墩、中墩的縱向位移如圖8所示。

由圖8可知，在靜風(fēng)荷載的作用下中墩帶動梁體在縱向發(fā)生了位移，且其沿梁體縱向基本相等，當(dāng)基本風(fēng)壓為500，600，700 Pa時，梁體的縱向位移分別約為5.1 mm，6.1 mm和7.2 mm;邊墩由于墩高較低，其在縱向與梁體能自由伸縮，故其墩頂?shù)目v向位移較小，當(dāng)基本風(fēng)壓為500，600，700 Pa，其縱向位移分別為0.82 mm，0.98 mm和1.15 mm，其墩頂與梁體的相對位移分別為4.28 mm，5.12 mm和6.05 mm。

風(fēng)載作用下墩臺頂部會產(chǎn)生一定的縱向位移，可影響梁軌相互作用。

2.3 橋型不同時靜風(fēng)荷載對橋梁縱橫向位移的影響

圖8 不同風(fēng)壓下梁體、邊墩、中墩的縱向位移

當(dāng)基本風(fēng)壓為700 Pa，該橋分別布置為連續(xù)剛構(gòu)橋、連續(xù)梁橋時，梁體沿橋梁縱向的橫向位移如圖9(a)所示，邊墩沿墩高的橫向位移如圖9(b)所示，中墩沿墩高的橫向位移如圖9(c)所示。

從圖9可知，在靜風(fēng)荷載的作用下，連續(xù)剛構(gòu)橋的最大橫向位移比連續(xù)梁橋要小，且從梁端到梁的中間位置，連續(xù)剛構(gòu)橋的橫向位移從略大于連續(xù)梁橋的橫向位移逐漸變成小于連續(xù)梁橋的橫向位移，當(dāng)基本風(fēng)壓為700 Pa時，連續(xù)剛構(gòu)橋的最大橫向位移為11.76 mm，連續(xù)梁橋為14.91 mm;橋型對高墩橫向位移的影響不大，橋梁布置為連續(xù)剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋時，中墩墩頂?shù)臋M向位移分別為7.3 mm和7.8 mm，邊墩墩頂?shù)臋M向位移相差為0.5 mm左右。

當(dāng)基本風(fēng)壓為700 Pa，該橋分別布置為連續(xù)剛構(gòu)橋、連續(xù)梁橋時，梁體的縱向位移如圖10(a)所示，邊墩沿墩高的縱向位移如圖10(b)所示，中墩沿墩高的橫向位移如圖10(c)所示。

圖9 橋型不同時梁體、邊墩、中墩的橫向位移

圖10 橋型不同時梁體、邊墩、中墩的縱向位移

從圖10可以看出，在靜風(fēng)荷載的作用下，連續(xù)梁橋的縱向位移要大于剛構(gòu)橋的縱向位移，當(dāng)基本風(fēng)壓為700 Pa時，連續(xù)梁橋的最大縱向位移為8.4 mm，連續(xù)剛構(gòu)橋為7.2 mm;橋型不同對高墩大跨橋梁縱向位移有一定的影響。

3 結(jié)論

運(yùn)用有限元方法，建立高墩大跨鐵路橋梁梁體—墩臺—基礎(chǔ)相互作用一體化模型，分析了靜風(fēng)荷載對橋梁縱向位移、橫向位移的影響以及不同橋型時靜風(fēng)荷載對橋梁位移的影響，可得到以下結(jié)論：

1)對于高墩大跨橋梁，在靜風(fēng)荷載作用下，梁體及墩臺都會產(chǎn)生較大的縱橫向位移;但在最大風(fēng)荷載作用下，橫向位移所產(chǎn)生的軌向不平順值未超過高速鐵路軌向不平順管理值。

2)由于該橋鋪設(shè)無砟軌道，則由靜風(fēng)荷載產(chǎn)生的橋梁橫向位移不會影響無縫線路穩(wěn)定性，但由于靜風(fēng)荷載產(chǎn)生的梁體及橋墩縱向位移將會影響梁軌相互作用。

3)高墩大跨鐵路橋梁采用不同橋型對風(fēng)荷載的作用響應(yīng)是不同的，分析表明，采用剛構(gòu)橋梁較連續(xù)梁橋有利于控制風(fēng)荷載對橋梁變形的影響，故建議高墩大跨鐵路橋梁采用剛構(gòu)橋梁。

［1］郭凡，楊永清，賈舒陽．高墩大跨預(yù)應(yīng)力混凝土曲線連續(xù)剛構(gòu)橋內(nèi)力分析［J］．四川建筑科學(xué)研究，2009(12)：35-36．

［2］吳根存．鐵路高墩大跨剛構(gòu)—連續(xù)組合梁橋設(shè)計［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2007(2)：100-102．

［3］鄒啟賢，李兵．高墩大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋關(guān)鍵問題研究［J］．公路交通科技，2009(5)：176-179．

［4］劉志宏，詹建輝，黃宏力．高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的穩(wěn)定性分析［J］．中外公路，2005(6)：63-66．

［5］張鵬．高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的風(fēng)致響應(yīng)分析［D］．武漢：華中科技大學(xué)，2005：29-31．

U448.28

A

1003-1995(2011)09-0001-04

2011-03-11;

2011-06-06

國家自然科學(xué)基金資助項目(51008256，51078320);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)科技創(chuàng)新項目(SWJTU09CX003)

段翔遠(yuǎn)(1987— )，男，遼寧葫蘆島人，碩士研究生。

(責(zé)任審編 白敏華)