桥头路基路面与搭板一体化结构设计研究

宋金华 王 勇 杜衍庆

1 概况

设置桥头搭板是避免桥台和路面间发生错台常用的一种方法。但是从目前的实际情况看，现行的桥头搭板设计方案难以达到理想的使用效果，经调查分析，主要原因是搭板的埋置深度、受力状态和该部位路基路面结构的组合及应力分布特性配合与适应性问题。因此，针对现行桥头搭板的欠合理性设计方面，调整搭板的埋深，分析其受力、沉降大小等，来综合解释桥头路基路面与搭板一体化设计的优越性。

2 桥头跳车产生的原因

1)可控原因。a.路堤的压缩沉降。b.施工措施不当。2)不可控原因。a.结构差异性:桥台属于刚性结构物，基础设置在较好的持力层上，一般采用桩基础，沉降基本为零。对于桥头引道处，其路基是柔性或者是半刚性的，在车辆荷载长期作用下，不但会产生弹性变形，并且会产生较大不可恢复的塑性变形。塑性变形随着时间的累积就造成了沉降差异，造成跳车现象。b.设计不合理:在基底未作彻底处理，沉降还未稳定时，应周详考虑桥台结构与引道衔接，在没有质量保证的情况下，不应该直接浇混凝土板。应先设置过渡面层，待路堤沉降基本完成后再改铺原设计面层，浅埋式桥头搭板是目前常用的防治桥头跳车的措施。

3 有限元方法的基本原理

取4个角为节点。节点 i的无量纲坐标ξi和ηi(i=1，2，3，4)分别为(-1，-1)，(1，-1)，(1，1)，(-1，1)。单元的节点位移向量为:ae=[μ1v1μ2v2μ3v3μ4v4]T。

单元内任一点的位移用单元节点位移表示为:

形函数具有以下特征:

写成矩阵形式为:

其中，B=[B1B2B3B4]，

单元的刚度矩阵为:

对于平面应力问题，上式中任一子块为:

其中，

4 建立ANSYS有限元模型

在建立桥头搭板计算模型时，主要以两种不同埋深的桥头搭板进行对比分析，1)现行搭板设计方案“浅埋式”(埋置在路面结构上部，约22 cm的位置);2)调整埋置位置后的“深埋式”(埋置在路面结构层下部，约78 cm的位置)。本文的研究目的主要是建立搭板埋深和内力的关系，故选取实体单元(Solid182)作为有限元单元类型，并考虑为平面应变问题(PLANE STRAIN)。本模型中的材料主要考虑为线性(LINEAR)弹性(ELASTIC)材料，在定义材料参数表时按程序中给出的各材料列表进行定义，并且对结构层做如下假设:1)各结构层为均质、连续、各项同性的连续弹性体;2)各层层间竖向、水平位移均连续;3)地基底面各向位移为零，地基层面水平方向位移为零;4)不计路面结构的自重影响。为了节省程序计算时间并保证程序计算的精确性，本文把单元截面划分成了边长为10 cm相同形状的单元网格。荷载采用最不利情况布置，即在搭板中央距离桥头3 m处布置70 kN的力，并在距离桥头1.6 m处布置同样70 kN的力。

5 有限元计算成果及分析

本文主要是为控制搭板的深度而进行的有限元分析，分别为传统的搭板设计方案，即浅埋式搭板设计，再置搭板埋于中间层作为过渡(距离顶面40 cm)，最后置搭板于路面结构底层，即距顶面78 cm处。经过3种不同埋置深度的搭板设计的分析研究，得出一系列强有力的指标说明深埋式搭板设计方案的优势，见表1。

表1 搭板不同位置的指标对比

在此略去搭板于中间的过渡状态，更加直观的在柱形图中表明(如图2所示):1)从搭板底部的竖向位移来看，浅埋式搭板的最大变形为1.66 mm，深埋式搭板的最大变形为0.938 mm，减少了43.5%。从这一差别来看，深埋式可以使搭板底面的垂直变形明显减小，这就非常有利于使搭板与板底基础共同处于弹性工作阶段，减小由于搭板的垂直变形而引起板底基础的塑性变形积累和搭板与地基基础的脱空现象。2)搭板的深埋式设计方案能有效减小荷载对搭板的作用力，由浅埋式的最大等效应力1.57 MPa减小到 1.04 MPa，减小了33.8%，这对提高搭板的使用寿命是非常有利的。

6 结语

搭板埋置深度的大小对解决桥头跳车起着决定性的作用，但是搭板不是越深越好，如果搭板埋置过深就起不到搭板防止桥头跳车的用意，而采用桥头路基路面结构与搭板结构体系的一体化综合设计方案，竖向位移减少了43.5%，最大等效应力减小了33.8%，从这两项指标可以看出:调整桥头搭板的埋置深度后与路基路面重新组合的结构形式得到充分发挥，并且延长了桥头搭板的使用寿命，实现该部位的路基、路面和搭板结构的合理组合，从而达到综合防治桥头跳车这一技术难题的目的。

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