倾斜桥墩的安全性评估

王建利　胡靖

【摘要】位于贵州省松桃至从江高速公路铜仁坝灌溪至玉屏大龙段的尖坡Ⅱ号大桥由于施工原因，导致左幅1#墩左侧立柱横向倾斜。本文建立有限元模型对其进行计算，同时与竖直桥墩计算结果对比，研究其倾斜度的影响；并分别建立全桥模型及单独墩柱模型，通过对比，提出一种桥墩有限元计算的简化方法。

【关键词】桥墩；倾斜；安全性；简化计算方法

1基本概况

尖坡Ⅱ号大桥左幅为5×40米、右幅设6×40米预应力混凝土先简支后结构连续T型梁。由于施工原因，左幅1#桥墩左侧立柱自横系梁之上，向桥梁外侧发生横向倾斜，立柱顶最大倾斜6cm[[[]沈铁钢，冯栋发，沈芳.上塘高架桥131号～134号墩梁病害分析研究[J].山西建筑.2009（31）.]]。左幅1#墩左侧立柱23m，右侧立柱23.34m，横坡5%。其结构型式见下图：

本桥横向共5片T梁，桥面布置为0.5m（防撞护栏）+11.25m（三车道）+0.5m（防撞护栏）=12.25m。结构体系采用先简支后结构连续。T梁采用C50混凝土，桥墩采用C30混凝土。

2有限元模型

采用有限元程序Midas分别建立如下三个有限元模型：

模型A：左幅全桥模型，1#墩左立柱竖直；

模型B：左幅全桥模型，1#墩左立柱倾斜；

模型C：左幅1#墩模型，左立柱倾斜。

全桥模型A、B上部结构为T梁，采用梁格法进行模拟，在1#墩位置，各片T梁均传力至盖梁上相应位置。

1#墩有限元模型采用梁单元分别模拟其盖梁、墩柱及系梁。左侧立柱在系梁以上部分逐渐线性像外侧偏移6cm。

假设1#墩承受的自重荷载范围为单跨即40m。通过计算，单跨T梁自重为6500KN，则各支座相应位置作用荷载为1300KN；

每片T梁承受二期铺装为10.6KN/m，则各支座相应位置作用荷载为10.6×40=421KN；

两侧混凝土防撞护栏为9.1KN/m，由边梁承受，则边支座相应位置作用荷载为9.1×40=364KN；

汽车荷载传至相应支座位置处的荷载值需通过影响线进行荷载分布。由于墩柱受力主要表现为小偏心受压构件，因此可以按照立柱轴力影响线进行活载分布。1#墩左立柱轴力影響线如下图：

因此，最不利活载分布为横向靠左布置3车道，纵向在第1、2跨内满布活载。按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）之规定，计算盖梁上靠左3个支座对应位置分别作用740KN的竖向荷载，以代表活载的最不利分布。

3桥墩倾斜安全性验算

采用有限元模型B，考虑温度荷载、恒荷载、汽车荷载及混凝土收缩、徐变等，对1#墩进行强度验算[[[]祝小龙，赵春花，周成涛.某高架桥桥墩倾斜成因分析及安全评估[J] .中外公路，2013（04）.]]，此处仅列出1#墩左立柱墩顶、中央高度、系梁位置及墩底4个位置的验算结果。验算结果如下表所示，由结果可知，1#墩左立柱最小强度系数为1.9>1，故墩柱强度满足规范要求。

4桥墩倾斜对安全性影响

采用有限元模型A，考虑荷载同有限元模型B，对1#墩进行结构强度验算，其验算结果见下表。通过与表1中数据对比，墩柱顶部及系梁以下，桥墩倾斜与否对其受力影响较小，仅在立柱中央高度位置影响较大；桥墩倾斜导致立柱中央高度附近外荷载效应增大16%。

5桥墩验算简化方法研究

如上所述，有限元模型C仅建立桥墩的有限元模型，对其上部结构传下的恒荷载简化后加载与盖梁上支座对应位置；对上部结构传下来的活荷载，通过计算桥梁纵向及横线的影响线，按照影响线进行活载加载。

现采用有限元模型C对左立柱进行强度验算，验算结果如下表所示。通过与表1即全桥有限元模型（考虑桥墩倾斜）计算结果对比，单独建立的桥墩有限元模型计算结果与全桥模型计算结果较为接近，最大相差12%。由此，可以认为本文所采用的单独桥墩有限元模型简化计算方法是可行的。

6结论

本文以贵州省松桃至从江高速公路铜仁坝灌溪至玉屏大龙段的尖坡Ⅱ号大桥实例，对全桥左幅1#墩左立柱进行强度验算。并建立三个相应对比模型与之对比。本文结论如下：

（1）本桥左幅1#墩左立柱横向倾斜6cm对其安全性未产生严重后果，结构为安全可靠。

（2）桥墩立柱横向倾斜6cm对墩柱受力影响较明显，最大影响达16%。

（3）仅建立桥墩有限元模型，上部结构恒载按照相应分配方式加载至盖梁相应位置；活载通过横、纵向影响线加载方式加载至盖梁相应位置的简化方法是简单可行的。