高陡斜坡段双柱式桥墩横系梁对侧向刚度的影响分析

刘亚亚,林丽霞

(兰州交通大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730070)

0 引言

高陡斜坡段桥墩及基础受力比平地更复杂,如果按照平地情况进行计算,计算结果和实际情况则存在较大误差.因此,研究高陡斜坡段双柱式桥墩的受力特性具有重要意义.

双柱式桥墩由于施工简便及较好的受力性能,在工程中的应用较多.国内已有很多学者对双柱式桥墩进行了研究,如陈树礼等[1]针对采用混凝土连接加固双柱式轻型桥墩中加固参数难以选择问题,提出一种基于墩身横向刚度和桥墩横向自振频率的双指标控制临界参数法,并完成实桥工程应用.郝勇[2]通过对双柱式桥墩进行Pushover分析,求出桥墩屈服曲率和极限曲率及对应的弯矩、位移,并以此作为加固评价指标,评价多遇地震下及罕遇地震下斜拉钢筋对双柱式桥墩的加固效果.陈友杰[3]引入考虑刚度折减的非线性有限元法对非对称加固法中桥墩的构件计算长度、偏心距增大系数、桥墩内力重分布等与桥墩纵桥向水平刚度的变化关系进行了研究.李冬来等[4]利用有限差分软件Flac3D,分析了深厚软土场地上双柱式桥墩-桩-土动力相互作用以及横、纵2个方向的地震波对桥墩地震反应的影响.蔡叶澜[5]通过对预应力灌浆金属波纹管连接装配式双柱墩试件进行参数分析,得出关键参数对节段拼装双柱墩抗震性能的影响规律.郭森等[6]运用LS-DYNA分析了桩-土作用下滚石撞击双柱式桥墩的动力响应.陈彪来等[7]研究了桩土效应对大跨连续刚构桥的内力和变形的影响,以及墩身高度变化时桩土效应对大跨径连续刚构桥的影响.

综上所述,所针对桥梁双柱式桥墩的研究多集中于抗震、加固及桩土作用的影响,且多位于平坡上.而对高陡斜坡段双柱式桥墩横系梁布置根数和布置位置的研究较少.目前,当用横系梁加强墩之间的整体性时,规范中对于横系梁的构造要求中只对高度、宽度及配筋做出了规定[8].本文采用Ansys有限元软件,分析比较横系梁布置根数和布置位置对高陡斜坡段双柱式桥墩墩顶水平位移的影响程度,从而给出了横系梁的合理布置方案.

1 工程概况

某(40+70+40)m混凝土简支梁,桥宽为13 m,下部为双柱式桥墩,所受荷载为竖向荷载和水平荷载.竖向荷载考虑为恒载和车辆荷载,单个桥墩所受荷载按荷载效应基本组合其值为5 724 kN,水平荷载考虑为横桥向方向风荷载.桥位处的地层为黏土层和微风化岩石层.

1.1 几何模型及材料参数

如图1所示,双柱式桥墩由盖梁、横系梁和桩基组成,桩长为50 m,断面尺寸为1.5 m×1.5 m,由规范可取横系梁截面尺寸为1.5 m×1.5 m[8].桩和土体的材料参数见表1,土体采用Solid45实体单元模拟,桩体采用Solid65实体单元模拟[9].通过建立面-面接触单元考虑桩和土之间的相互作用,摩擦系数取为0.3.图2为三维有限元模型,本文中土体和岩体本构模型采用D-P准则模型.

表1 材料参数

图1 模型构造图(单位:cm)

图2 三维有限元模型

1.2 位移边界条件和初始地应力

在有限元模型土体边界上施加位移约束,模型底部平面施加水平向和竖向位移约束上部桥梁的纵向设计对称边界条件,侧面施加水平向位移约束.为了保证有限元模型和工程实际情况的一致性,本文考虑自重应力,通过初始地应力文件考虑土体的初始地应力.图3～4分别是在自重作用下的位移云图和应力云图.

图3 自重作用下位移云图(单位:m)

图4 自重作用应力云图(单位:kPa)

图5～6分别是导入初始应力文件,并施加重力荷载求解后的位移云图和应力云图.

图5 求解后位移云图(单位:m)

2 风荷载

风荷载沿结构体系的高度是变化的，此处根据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T3360-01—2018)5.4.1条,等效为静阵风荷载.风荷载计算如下:

图6 求解后应力云图(单位:kPa)

地表类别取为D类,起伏较大的丘陵地,桥梁抗风风险区域取为R2,则kt=1.3,U10=25 m/s,kh=0.79,kf=1.02.

(1)

Ug=GVUdP，

(2)

Ud=kfkhktU10，

(3)

式中：Kf为抗风险系数；Kh为地表类别转换及风速高度修正系数；Kt为地形条件系数；U10为基本风速；Ud为构件基准高度处的设计基准风速；Ug为等效静阵风风速；Gv为等效静阵风系数；p为空气密度；CD为构件阻力系数；An为构件单位长度上顺风向投影面积；Fg为构件单位长度上的风荷载.

2.1 前桩风荷载

如图1所示,由t=1.5,w=1.5得t/w=1;前桩的土外桩高为h=26 m,则h/w=17.3,由线性内插法可得CD=1.746,Gv=1.557.

Ug=GVUd=1.557×26.188 5=40.776 m/s，

2.2 后桩风荷载

如图1所示,由t=1.5,w=1.5得t/w=1;前桩的土外桩高为h=20 m,则h/w=13.3,由现行内插法可得CD=1.666,Gv=1.56.

Ug=GVUd=1.56×26.1885=40.854 m/s，

1.5=2.607 kN/m.

由于2.722 kN/m>2.607 kN/m,考虑最不利荷载时,取风荷载的值为2.722 kN/m.

3 横系梁布置方案

3.1 方案一:1道横系梁

1道横系梁的位置如图7所示,H0/H的取值分别为:0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6,0.7, 0.8.

图7 1道横系梁位置

3.2 方案二:2道横系梁

2道横系梁的位置如图8所示.H1/H,H2/H的取值分别为:0.1,0.5;0.1,0.6;0.1,0.7;0.2,0.8;0.3,0.7;0.3,0.8;0.4,0.7;0.4,0.8.

图8 2道横系梁位置

3.3 方案三:3道横系梁

3道横系梁的位置如图9所示.H3/H、H4/H和H5/H的取值分别为:0.1,0.2,0.9;0.1,0.3,0.9;0.1,0.4,0.9;0.1,0.3,0.8;0.1,0.4,0.8;0.1,0.5,0.8;0.2,0.4,0.8;0.2,0.5,0.8.

4 计算结果与分析

双柱式桥墩的整体刚度和稳定性与横系梁的布置根数和布置位置有关.在竖向荷载和水平风荷载作用下,墩顶的水平位移最大,因此,本文主要考虑横系梁布置根数和布置位置变化对墩顶横向水平位移的影响,其结果如表2～4和图10～12所示.

图9 3道横系梁位置

表2 方案一墩顶横向水平位移

表3 方案二墩顶横向水平位移

表4 方案三墩顶横向水平位移

由图10～12可知设置横系梁对双柱式桥墩的侧向刚度和整体性提高作用明显.当布置1道横系梁时,墩顶横向水平位移随着横系梁位置高度的增加先减小后增大,在0.3H(H为后墩土外高度,位置处墩顶横向水平位移最小;当设置2道横系梁时,横系梁在0.1H和0.5H位置处墩顶横向水平位移最小;当设置3道横系梁时,横系梁在0.1H,0.4H和0.8H位置处墩顶横向水平位移最小.

图10 方案一位置变化-墩顶位移曲线

图11 方案二位置变化-墩顶位移曲线

图12 方案三位置变化-墩顶位移曲线

对比3种模型的计算结果可知,与设置1道横系梁相比,设置2道横系梁的墩顶横向水平位移减小了35.77%,设置3道横系梁的桩顶横向水平位移减小了44.06%,说明设置多道横系梁时能明显减小墩顶横向水平位移,增加结构的侧向刚度.设置3道横系梁的墩顶横向水平位移在设置2道横系梁的基础上仅减小了8.29%,说明随着横系梁布置根数的增加,对于减小墩顶横向水平位移的能力逐渐减弱.因此,在实际工程中不能盲目通过增加横系梁布置根数来提高结构的侧向刚度.

5 结语

通过建立高陡斜坡段双柱式桥墩三维有限元模型,研究分析了横系梁布置根数和布置位置变化对墩顶横向水平位移的影响,对设置横系梁给出了合理布置方案.通过建立有限元模型进行数值分析可知当高陡斜坡段双柱式桥墩设置1道横系梁时,横系梁宜布置在0.3H的位置;设置2道横系梁时宜布置在0.1H和0.5H的位置;设置3道横系梁时宜布置在0.1H、0.4H和0.8H的位置.当横系梁的布置根数增加到一定值后,再增加布置的根数并不能明显提高结构的侧向刚度,减小墩顶横向水平位移.本文研究结果可为实际工程中此类桥梁横系梁的布置提供参考.