桩土效应对矮墩刚构连续组合梁桥的受力影响分析_杨美良.pdf

文章编号：（）桩土效应对矮墩刚构连续组合梁桥的受力影响分析杨美良，李振华，钟扬（长沙理工大学 土木与建筑学院，湖南 长沙 ；中南林业科技大学）摘要：矮墩刚构连续组合梁桥群桩基础直接影响桥梁下部结构的抗推刚度，考虑桩土作用是建立分析模型的难点。该文采用刚度等代原理模拟桩土效应，建立了整体计算模型，分析了桩土效应及其对矮墩刚构连续组合梁桥的受力影响，提出了改善矮主墩连续刚构结构受力的措施。关键词：矮墩；刚构连续组合梁桥；桩土效应；受力分析收稿日期：基金项目：交通运输部京珠复线长沙至湘潭高速公路两型科技示范工程项目（编号：）作者简介：杨美良，女，博士，教授 ：前言大跨预应力连续刚构桥以其受力合理、行车舒适、施工简便、造价经济等优势得到了迅速发展。刚构桥一般适用于高墩结构，利用高墩的柔度来适应结构由预加力、混凝土徐变、收缩和温度变化所引起的纵向位移，使结构受力合理。但对于多跨连续刚构桥，随着联长的加大，边主墩距主梁顺桥向水平位移零点的距离加大，在最不利荷载作用下，墩顶将产生很大的顺桥向水平和转角位移，墩身剪力和弯矩将迅速增大，同时产生不可忽视的附加弯矩，致使刚构方案无法成立。目前常采用在结构上将边主墩墩身与主梁的固结约束予以解除而代之以支座，这样结构就变成刚构连续组合梁体系，边主墩墩身及基础的受力问题得以解决。但实际工程当中，由于受到设计线形标高、地质、水文条件的限制，需要把墩身修建矮一些，变成矮墩刚构连续组合梁桥，矮墩具有较大的抗推刚度，导致主墩墩身内力过大，强度验算难以通过。为了减小矮墩的抗推刚度，可采用柔性桩基，使墩具有较小的抗推刚度。为求解矮墩刚构连续组合梁桥的真实变形与内力，合理地研究该体系的受力性能，计算分析时必须考虑桩土结构的相互作用即群桩的柔性。该文运用有限元软件建立某特大桥主桥的仿真计算模型，重点分析群桩基础的桩土效应及其对矮墩刚构连续组合梁桥的受力影响。群桩基础的简化计算模型 等代结构模型为减少整体模型单元划分数和简化计算，建立整体计算模型前，先应用平面杆系有限元程序，按照实际建立群桩基础模型，分别计算出单位竖向轴力珡、单位水平剪力珚和单位弯矩珨作用时，实际结构承台顶面产生的位移值、和。土体对桩身的抗力按照 公路桥涵地基与基础设计规范 中的“”法计算。根据实际群桩基础结构与等代结构刚度相等的原则，建立如图所示的等代结构模型。它由等代高度为、弹性模量为的矩形截面柱和其底端设置的个弹簧支承构成，其中竖直向弹簧支承的刚度为、水平向弹簧支承的刚度为、扭转弹簧支承刚度为。NMNMhekkukv等代结构实际群桩基础QQ图群桩基础的简化计算模型中外公路第 卷第期 年 月由于等代结构矩形截面柱的弹性模量接近无穷大，所以矩形截面柱的长、宽可以任意假定，但是其顶面必须与实际承台顶面的高程齐平。等代结构参数计算立柱高度：水平弹簧支承刚度：（）竖直弹簧支承刚度：扭转弹簧支承刚度：式中：、分别为单位水平力珚作用在承台顶面中心时，该点产生的水平位移和转角；、分别为单位弯矩珨作用在承台顶面中心时，该点产生的水平位移和转角；为单位竖向轴力珡作用在承台顶面中心时，该点产生的竖向位移。仿真计算分析 工程概况某特大桥主桥为矮墩刚构 连续组合梁桥（图），跨径布置为 ，桥面总宽为 。上部结构分左右幅布置，每幅均为单箱单室箱梁截面，墩顶梁高，跨中梁高，其间按 次抛物线变化。箱梁顶板宽 ，底板宽 ，悬臂。腹板厚度由箱梁根部的 变化至跨中的 ，顶板厚度 。底板厚度由箱梁根部 变化至跨中 ，其间按二次抛物线变化。箱梁采用 预应力混凝土、三向预应力体系。7513013013013013075主6主5主4主3主1主22727图主桥桥型布置示意图（单位：）下部结构主墩为群桩基础，主、主、主、主号墩与主梁之间设支座；主、主号墩与主梁固结且为矮墩；每个承台下设置根钻孔灌注桩，纵桥向布两排，每排布根，桩基按摩擦桩设计。计算参数钻孔灌注桩混凝土为 ，弹性模量取 ，桩径为，桩长为，承台以下约 为圆砾，取比例系数 ，圆砾层底到桩 端 的 为 泥 岩，取 比 例 系 数 ；承台混凝土为 ，；连续桥墩，即主、主、主和主号墩的墩身混凝土为 ，；刚构桥墩，即主和主号墩的墩身混凝土为 ，；主梁梁体为 ，。根据以上计算参数，利用迈达斯建立群桩基础的实际模型，求得 ，；根据等代模型参数的计算公式，求得 ，。整体计算模型采用迈达斯软件建立桥梁有限元模型，全桥共划分 个节点，个单元，其中主梁单元 个，全桥有限元计算模型分考虑桩土效应和不考虑桩土效应两种，如图（考虑对称性，只画了一半）所示。(b)不考虑桩土效应的有限元模型?(a)考虑桩土效应的有限元模型?主1主2主3主1主2主3图有限元模型 计算结果与分析分别计算了两种模型在最不利荷载组合即恒载车道人群整体降温反温差作用下的内力和应力，主号墩墩底、墩顶截面的内力和应力如表、，主梁关键截面的应力如表所示。年 第期杨美良，等：桩土效应对矮墩刚构连续组合梁桥的受力影响分析表墩底截面内力、应力形式内力 （）应力上缘 下缘 外侧墩未计桩土效应 计桩土效应 内侧墩未计桩土效应 计桩土效应 注：“”表示压应力，“”表示拉应力。下同。表墩顶截面内力、应力形式内力 （）应力上缘 下缘 外侧墩未计桩土效应 计桩土效应 内侧墩未计桩土效应 计桩土效应 表最不利荷载组合下主梁关键截面应力截面上缘应力 不计桩土效应计桩土效应下缘应力 不计桩土效应计桩土效应边跨合龙段 边跨 主号墩墩顶 次边跨 次边跨跨中 主号墩墩顶 次中跨 次中跨跨中 主号墩墩顶 中跨 中跨跨中 分析对比表中数据可得到以下结论：（）考虑桩土效应时，除轴力以外，主墩墩底及墩顶的内力、应力都大幅度 减 少，其 中 墩 底 弯 矩 减 小 ，改善受力；不考虑桩土效应时，外侧墩墩底下缘和墩顶上缘、内侧墩墩底下缘均出现了很大的拉应力，将导致墩身混凝土开裂，降低桥梁结构的耐久性。（）考虑桩土效应时，内、外侧墩的轴力相差较小，内侧墩轴力仅是外侧墩轴力的 倍；不考虑桩土效应时，内、外侧墩的轴力相差很大，内侧墩轴力是外侧墩轴力的 倍，过大的轴力差效应与降温荷载效应相同，对桥墩的受力极为不利。（）考虑桩土效应对主梁的内力影响不大，几个关键截面中，次中跨跨中截面影响最大，使上缘应力减小了 ，下缘应力增大了 ，但主梁应力都在合理的范围之内。中外公路第 卷文章编号：（）基于不同规范的移动模架施工连续梁桥设计分析苗建宝，徐岳（长安大学 公路学院，陕西 西安 ）摘要：以采用移动模架施工的预应力混凝土连续梁桥为对象，对于同一实桥分别根据新、旧规范建立有限元模型并进行相应的计算及验算，通过建桥材料、计算条件及计算结果等方面的对比分析，探讨新、旧规范设计结果间的差异，为新桥设计与旧桥加固改造积累经验。关键词：桥梁工程；移动模架；有限元；连续梁桥；规范对比收稿日期：作者简介：苗建宝，男，硕士研究生 ：公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（以下简称“新规范”）于 年正式颁布实施，然而中国很多现有的桥梁都是按照 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（以下简称“旧规范”）设计而成的。当采用旧规范设计的桥梁出现问题时，往往需要按照新规范进行重新计算，以确定安全状态及相应的处理措施。为了总结新、旧规范设计条件与结果的区别，该文采用有限元程序建立某高速公路上采用移动模架施工的预应力混凝土连续梁桥模型，对新、旧规范计算结果进行对比分析。主要目的在于结合实例探讨采用旧规范的设计而成的桥梁能否满足新规范要求以及新旧规范之间的差异，同时也为按旧规范设计而需要依照新规范重新计算的桥梁提供参考。有限元分析 基本资料某实桥为高速公路上采用移动模架逐孔施工法修建的预应力混凝土连续梁桥，跨径布置为 ，全长 。采用等高度单箱双室截面形式，箱梁顶板宽，每侧翼缘板悬臂长度取 ，悬臂端部厚度取 ，根部厚度取 ，主梁横断面如图所示。每跨设置道横隔板，其中支座处设置道厚度为 的横隔板，纵向连接处设置一道厚度为 的横隔板，同时在纵向连接处对称位置设置了道厚度为 横隔板，另外跨中也设 置一道厚度为 的横隔板。梁高为 ，櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙高结论（）利用刚度等代原理，使桩基等代结构的出口刚度与实际群桩基础的出口刚度相等，这样简化了计算模型，可快速、简便地建立整体模型，提高计算分析的速度。（）通过建模比较，考虑桩土效应，墩身受力得到明显的改善，主梁受力影响不大。在设计或分析矮墩刚构连续组合梁桥时，应该合理地考虑桩土效应，即考虑群桩的柔性，降低矮墩的抗推刚度，使下部结构更柔，受力更为合理。（）矮墩刚构连续组合梁桥的墩身较矮，具有较大的抗推刚度，没有足够的柔度来适应温度、徐变和收缩变化所引起的位移，建议设计时将基础设计成柔性群桩基础，以改善墩身的受力。参考文献：刘明虎 改善矮主墩连续刚构结构受力的措施及可行性探讨公路交通科技，（）公路桥涵地基与基础设计规范邵旭东，程翔云，等 桥梁设计与计算 北京：人民交通出版社，陈自华 大嶝大桥连续矮墩刚构合龙措施研究 中外公路，（）公路桥涵设计通用规范第 卷第期 年 月中外公路