發布時間：2019-12-30所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：為了研究單支座脫空時橋墩受力性能變化規律，根據T形梁橋設計圖，利用橋梁有限元軟件MIDAS/Civil建立簡支變連續梁橋空間模型，分析單支座脫空后墩頂豎向載荷特性，利用ABAQUS軟件建立下部結構，分析樁-土作用下橋墩受力性能的變化情況.研究發現：邊梁
摘要：為了研究單支座脫空時橋墩受力性能變化規律，根據T形梁橋設計圖，利用橋梁有限元軟件MIDAS/Civil建立簡支變連續梁橋空間模型，分析單支座脫空后墩頂豎向載荷特性，利用ABAQUS軟件建立下部結構，分析樁-土作用下橋墩受力性能的變化情況.研究發現：邊梁支座脫空對蓋梁截面彎矩的影響范圍最大，且均大于正常值，此時跨中截面受力最不利，容易造成拉應力超標，導致結構開裂破壞;邊梁支座脫空對橫系梁上側墩身彎矩的影響最顯著，墩身頂面受力最不利.
關鍵詞：公路橋梁;支座脫空;數值計算;橫向偏位;樁-土作用;橋墩
因簡支變連續梁橋結構簡單、施工方便，且具有連續梁和預制梁批量生產等優點[1-2]，在山區高速公路中被廣泛應用.支座是連接橋梁上、下部結構的重要部件，能夠將上部結構的力傳遞給墩臺，在活載作用下有良好的彈性以適應梁端的轉動、較大的剪切變形用以滿足主梁的水平位移.但橋梁在施工和運營中，支座會出現脫空、剪切變形過大、傾斜、開裂等病害，橋梁結構的受力隨之改變，引起更多結構性的病害[3].
S.H.Kim等[4]通過對多跨簡支梁橋動力性能的研究，分析橋梁在支座損壞前后的動力性能，發現支座損壞對橋梁整體的抗震性能有較大影響;胡峰強等[5]分析了支座脫空和支座活動方向異常對橋梁結構受力的影響，發現支座脫空對支反力影響較大;梁啟元[6]通過對比設計汽車載荷及超載汽車載荷作用下支反力的變化，得出車輛超載嚴重導致支座脫空的結論，并提出采取加大支座間距、更換支座的整治措施;吳玉財等[7]依據高速公路橋梁病害調查結果，從設計、加工、施工和運營等方面對板式橡膠支座病害類型及原因進行分析，提出相應的處治對策.
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綜上所述，國內外專家對支座脫空進行了一系列的研究，也取得了重要的成果.但是，以往的研究大多集中在支反力、上部結構內力變化和脫空的原因分析及處治措施上，針對支座脫空對橋墩受力性能影響的研究相對較少.下部邊界條件對于橋墩受力有一定影響，為了更接近實際，需考慮樁-土相互作用.由于支座脫空后支反力變化較大，下部結構的受力性能也隨之改變.因此，本文結合樁-土相互作用，以單支座脫空為對象分析其對橋墩受力性能的影響.
1工程概況
根據T形梁橋設計通用圖，分別選擇單孔標準跨徑lb為20m和30m的一聯簡支變連續梁橋為研究對象，橋面橫坡為雙向2%，縱斷面縱坡為2%，載荷等級為公路-I級.上部結構采用全預應力混凝土T梁，橋面連續，采用C50混凝土;下部結構采用雙柱式墩，墩臺為樁基礎，采用C30混凝土.橋寬12m，每跨由5片主梁組成，T梁間距2.45m，中梁預制寬度1.8m，濕接縫寬0.65m.為了分析方便，下部結構均采用相同的尺寸.全橋立面布置見圖1，上部結構跨中橫斷面如圖2所示.
按照梁格法的理論，以實際截面模擬主梁和橫隔板，由于橫隔板縱向間距較大，所以需要采用虛擬橫梁將各主梁連接在一起[8-9].其中：主梁取單片T梁;橫隔板為實際尺寸;虛擬橫梁寬度由單元劃分大小來確定，厚度為主梁截面翼緣板的厚度.利用橋梁專用有限元軟件MIDAS/Civil建立橋梁上部結構空間模型.
全橋均采用板式橡膠支座，其中兩端伸縮縫位置處為四氟滑板支座，支座尺寸根據設計圖紙確定，橫橋向一排共5個支座，為分析方便，把①②③排支座記為A、B、C，支座布置如圖3所示.支座脫空主要體現在支座與梁底脫離接觸，引起旁邊支座受力發生變化，主要是由于梁靴坡度設計有偏差及主梁在預應力及混凝土的收縮徐變作用下上拱造成的[10].通過解除脫空處的約束進行模擬.
2墩頂載荷分析
(1)恒載荷.主要考慮預制主梁、濕接縫、現澆連續段自重和橋面2期鋪裝載荷.(2)汽車載荷.定義標準車輛載荷為在最不利的情況下，從邊梁處開始橫橋向定義2個外偏車道，并以影響線加載的方式進行移動載荷分析.
由于支座脫空后，支反力重新分布，此時墩身處于偏壓狀態.主要考慮上部結構恒載及汽車載荷作用下，各支座所受到的豎向反力.由于C排墩頂荷載與A排墩相同，因此只對A排、B排墩頂載荷進行分析，單孔標準跨徑lb為20m和30m時梁橋各支座脫空前后豎向反力的結果如表1～表4所示.
綜合來看，支座脫空后，支反力變化較大.中梁支座脫空后相鄰支座的支反力均在正常值的1.3倍以上，邊梁支座脫空后相鄰支座的支反力均在正常值的1.8倍以上，因此邊梁支座脫空比中梁支座脫空更危險，脫空處的相鄰支座反力與正常情況相比增加得更多.
3下部結構模型建立
利用國內外巖土工程界最常使用的軟件ABAQUS建立下部結構實體模型，包括樁基、土體、系梁、墩柱、蓋梁及墊石.樁基直徑D=2m，樁長L=23m，墩身高H1=20m，H2=27m;土體考慮邊界條件的影響，長、寬、高均取50m.混凝土采用的是線彈性模型，土體采用的是Mohr-Coulomb模型，具體參數值見表5和表6.
土體的邊界條件為：約束YZ面上X方向的水平位移;約束XZ面Y方向的水平位移;約束底面Z方向的位移.網格遵循疏密合理、收斂速度快的原則進行劃分，模型均采用三維實體單元C3D8R(8節點6面體2次縮減積分單元).由于樁-土間存在相對滑移致變形不協調，故采用庫侖摩擦模型模擬樁-土相互作用，可以較好地反映樁-土間的相互作用機理，其余部件不發生相對滑移，共同受力變形，故采用綁定約束[11-12].其中A排橋墩下部結構的計算模型立面圖如圖4所示.
根據實際情況，計算得到的墩頂載荷以豎向均布力的形式作用在墊石上，墊石尺寸為0.6m×0.6m×0.1m.為了分析蓋梁各截面的彎矩值，從最外側支座中心開始，將蓋梁沿著橫橋向每1.225m分隔開;將墩身從下到上每2m分隔開，以備輸出各控制位置的彎矩和位移
4考慮樁-土作用前后的誤差分析
以單孔標準跨徑30m的簡支變連續梁橋為對象，在考慮樁-土作用與不考慮樁-土作用2種情況下，通過對比蓋梁彎矩、墩身彎矩和墩身橫向偏位的誤差絕對值，分析樁-土作用對橋墩受力性能的影響.為了分析方便，定義行車方向右側為外墩身，左側為內墩身.
根據圖5～圖9的誤差值分析發現：蓋梁各截面彎矩在考慮樁-土作用和不考慮樁-土作用2種情況下的誤差較小，最大誤差僅為2.7%;墩身彎矩存在較大的誤差，內、外墩身在考慮樁-土前后的最大誤差分別達到1070%和881%;墩身橫向偏位的誤差均在50%以上.同樣，對其他條件下橋墩受力性能差異的分析可以得到相同的結論.因此，為了更好地模擬實際情況下橋墩的受力情況，應該考慮樁-土作用的影響.
5支座脫空對橋墩受力性能的影響
5.1支座脫空對蓋梁彎矩的影響
通過蓋梁各截面處繞縱橋向的彎矩值變化，分析不同支座脫空對蓋梁的影響.
從圖10～圖13可以看出，不同支座脫空后，蓋梁各截面彎矩變化規律基本相同，邊梁支座脫空對彎矩的影響范圍最大且均超出正常值.跨中截面處的彎矩達到最大值，其中A1、A5脫空，彎矩值分別超出正常值的35%和75%以上;B1、B5脫空，彎矩值同樣分別超出正常值的35%和75%以上.
5.2支座脫空對墩身彎矩的影響
通過墩身各截面處繞縱橋向的彎矩值變化，分析不同支座脫空對墩身的影響.
從圖14～圖17可以看出，A排不同支座脫空后，外墩柱、內墩身各計算截面處的彎矩變化規律基本相同，邊梁支座脫空對彎矩的影響最顯著，尤其是在橫系梁上側的墩身;而其余支座脫空后的彎矩值大小均接近甚至小于正常值.墩身頂面彎矩值最大，其中A1、A5脫空，外墩身彎矩值分別超出正常值的95%和150%以上，內墩身彎矩值則分別超出正常值的95%和240%以上.
從圖18～圖21可以看出，B排不同支座脫空后，外墩身、內墩身各計算截面處的彎矩變化規律基本相同，邊梁支座脫空對第1道橫系梁上側的墩身彎矩的影響最顯著;而其余支座脫空后的彎矩值均接近甚至小于正常值.墩身頂面彎矩值最大，其中B1、B5脫空，外墩身彎矩值分別超出正常值的80%和145%以上;內墩身彎矩值則分別超出正常值的85%和230%.
5.3支座脫空對墩身橫向偏位的影響
從圖22～圖29可以看出，不同支座脫空，A排和B排橋墩外墩身橫向偏位、內墩身橫向偏位的變化規律基本相同，A排橋墩外墩身在橫系梁上方一定范圍內，橫向偏位的程度減緩甚至下降;B排橋墩外墩身在第1道橫系梁上方處也存在相同的現象;內墩身橫向偏位與外墩身相反.內邊梁支座脫空對內墩身橫向偏位影響最大，此時A排和B排橋墩內墩身頂部橫向偏位值均達到最大值，但總體來看與正常值相差不大.
6結 論
支座脫空后，支反力會重新分布，與正常情況相比，墩頂載荷會有很大的不同，尤其是脫空處的相鄰支座反力增加得更大，橋墩的受力性能因此發生變化，影響結構安全和使用性能.本文結合樁-土相互作用，分析了不同位置支座脫空后蓋梁和墩身截面彎矩變化和墩身橫向偏位變化規律.經過分析得出以下結論.
(1)邊梁支座脫空對蓋梁截面彎矩的影響范圍最大，且均大于正常值，此時跨中截面的受力最不利，彎矩值均超出正常值很多，容易造成拉應力超標，導致結構開裂破壞.因此，應該在設計和施工過程中采取相應的措施，避免邊梁出現支座脫空現象.
(2)邊梁支座脫空對橫系梁上側墩身彎矩的影響最顯著，其余支座脫空后的彎矩值大小均接近甚至小于正常值.內、外墩身彎矩最大值出現在墩身頂面，其中邊梁支座脫空時其彎矩值最大且均超出正常值很多.
(3)由于橫系梁的設置降低了橋墩高細比，增加了橋墩剛度，提高了橋墩穩定性.因此，支座脫空后橋墩兩側墩身的橫向偏位程度均較小.
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