桥台高度对肋板式桥台受力特性的影响

张 涵 赵香玲 王安东

桥台高度对肋板式桥台受力特性的影响

张 涵1赵香玲2王安东2

（1.中铁一局集团第四工程有限公司，陕西 咸阳 712021；2.陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714099）

基于对运营8m以上有裂缝的桥台调查，总结出桥台高度对桥台的影响比较敏感，因此分析桥台高度对肋板式桥台力学特性的影响就比较有工程实际价值。针对8m以上运营肋板桥台出现裂缝的情况，利用有限元软件Midas/Civil建立40m跨径桥梁，肋板桥台高度分别为8、10、12、14m，基于此分析在汽车中载、偏载、人群荷载、温度荷载、混凝土收缩徐变作用下肋板桥台上部结构力学特性。结果表明：作用荷载不变时，随桥台高度增加台帽顺桥向位移逐渐减小，横向应力以3%的增幅增大。

肋板式桥台；最大位移；最大主拉应力

高速公路经过丘陵和山区时，为了满足高速公路的平纵设计要求，采用桥梁实现线路平缓，从而出现了较多高桥台。通过对运营桥梁桥台调查，发现桥台高度在8m以下的运营良好；而桥台高度大于8m的在桥台台帽跨中底部、台帽与肋板接触处包括台帽顶和承台底部也出现了不同程度的开裂，破坏了桥台的整体性，严重影响其运营安全。

孙治国［1］通过运用有限元分析研究了高原大桥台的地震破坏机理；祝志文［2］通过计算流体动力学方法数值模拟桥台局部冲刷，对桥台稳定性进行分析；贺薇［3］通过现场测试肋板桥台背后填土时桥台水平位移，得出填土时分层铺设土工格栅可以有效控制桥台水平位移。在对桥台稳定性各种因素的研究中，对大跨径高桥台研究较少。本文对跨径为40m，桥台高度分别为8、10、12、14m的肋板桥台进行研究。

1 桥梁结构选取

1.1 上部结构的选取

上部结构采用跨径40m的装配式预应力混凝土简支T梁，桥面单幅宽12.75m，双车道、荷载为公路-I级，上部结构采用C50混凝土。桥断面由6T梁组成，为了使各片T量相互联系，两片T梁之间添加H×B=0.3m×2.5m的横向虚梁。T梁具体尺寸如图1所示，主梁跨中横截面如图2所示。

图1 40mT梁截面尺寸（单位：mm）

图2 主梁跨中横断面图（单位：mm）

1.2 下部结构桥台的选取

本文所选用肋板式桥台，肋板桥台高分别选取8、10、12、14m，采用4端承桩做其基础，桥台两肋板通过哑铃形承台与端承桩连接，肋板上部由台帽连接背墙和耳墙。整个肋板桥台采用C30混凝土、钢筋采用HRB335，承台与端承桩全部埋入土中。填土均为沙土，填土的内摩擦角φ=30°，填土容重为γ=18kN/m3，台前溜坡坡度取1∶1.5。由于肋板桥台基础采用端承桩，因此不考虑土体对其产生的土压力影响。肋板桥台三维构造如图3所示。

2 不同桥台高度下桥台各个部位的土压力计算

根据《公路桥涵设计通用规范》条文说明第4.2.3条规定为：

图3 肋板式桥台三维图

式（1）中，h为汽车荷载的等代均布土层厚度（m）；∑G为布置在B×l0面积内的车轮的总重力（kN）；B为桥台横向全宽（m）；l0为桥台后填土的破坏棱体长度，l0=H×tanθ（m）（其中θ为破坏棱体破裂面与竖直线之间的夹角，H为计算土层高度（m））；γ为土的容重。

式（2）中：α为桥台与竖直面的夹角，α=0°。

式（3）中ω为计算夹角；δ为台背与填土间的摩擦角，一般取=15°；φ为土的内摩擦角。

土压力系数按规范4.2.3条：

式（4）中，μ为土压力系数；β为填土表面与水平面夹角，β=0°，其余符号意义见上述。

台帽背墙顶至台帽底高度范围内的土压力为：

式（5）（6）中，E为主动土压力（kN）；C为主动土压力的着力点，其余符号意义见上述。对台身顶的力劈（主动土压力的着力点自计算土层底面算起）台帽背墙顶至台帽底高度范围内的土压力对台身顶的土压力弯矩（M）为：

计算上部结构时按照《公路桥涵设计通用规范》4.3.6条规定，计算汽车制动对40m跨径桥梁产生的荷载。不同桥台高度各部位土压力计算见表1。

3 三维空间模型有限元分析

运用有限元软件Midas/Civil分别对跨径为40m的简支T梁桥分别在中载和偏载下对上部结构进行建模分析，考虑温度荷载和收缩徐变的影响。对肋板式桥台顶部沿道路纵向间隔0.4m、纵向宽度1m进行网格划分。三维模型如图4所示。

表1 不同台高时桥台各个部位的土压力

图4 40m跨径T梁桥三维效果

3.1 不同桥台高度桥台中载作用下受力特性

运用Midas/Civil数值模拟分析桥台受力时，将上部结构荷载转化为施加在支座垫石上。桥台主要承受沿桥线路切线方向土压力和垂直于桥面方向的支座反力，沿桥线路切线方向设为Y方向，横桥向为X、垂直桥面为Z方向。在静荷载作用下对不同高度的肋板桥台进行线性分析。

为了简化分析肋板桥台受力数值模拟结果，重点选取承台、台身顶面、地面、台身中点、台身、台帽中点和边缘节点，共选取22个关键节点进行位移应力分析。DY为肋板桥台顺切线位移、SXX为横向轴应力、SYY为顺向轴力、SZZ为垂直轴向应力、P1为最大主拉应力。

随着桥台高度的变化，在相同节点处最大主拉应力变化不显著。但在肋板顶部和台帽底部内侧，变化较为突出，在肋板顶部14m高桥台最大主应力大于8m高桥台的主应力。最大主应力达1.75N/mm2，且台帽跨中出现的最大拉主应力小于C30混凝土的抗拉强度标准值，如图5所示。

分析SZZ曲线可知：不同高度桥台的承台到台帽均处于受压状态，且承台跨中区域各节点处压力随桥台高度变化影响不大；台帽跨中部位垂直轴向应力较大，桥台高度14、8m台帽跨中压力大于12、10m高度跨中压应力。

3.2 不同桥台高度桥台偏载载作用下的受力特性

比较分析不同高度桥台在受偏载时SZZ曲线图得出：垂直于桥面轴向应力，在承台、台帽和背墙底部局部出现拉应力，由于混凝土抗拉强度较小，因此两肋板均处于受压状态，8、10、12、14m高度桥台最大压应力分别为9.90、9.44、9.93、9.45MPa。

分析偏载时作用下不同高度桥台最大主应力变化曲线图，得知其最大值出现在桥台台帽底部中间、肋板顶接触的台帽顶部、背墙底部和承台底部等位置，且8、10、12、14m各最大主应力分别为2.74、2.86、2.84、2.92MPa，且各处最大主应力均大于C30混凝土的标准抗拉强度值2.01MPa。

图5 中载作用下节点位移应力变化曲线图

4 结论

通过讨论跨径为40m桥梁，在桥台高度分别为8、10、12、14m，中载和偏载荷载作用下，荷载和台高对肋板桥台受力特性的影响，得出以下结论：

①桥台高度相同时，中载和偏载对台帽DY位移影响不大；作用荷载不变时，随桥台增高，台帽DY位移逐渐减小，且各特征节点处位移均小于0.5 L；

②肋板最大拉P1均发生在靠近桥跨方向与桩基接触的正上方，且随桥台高度的增大而增大；桥台高度为12m时其最大主应力拉应力大于台高为10m时最大主拉应力，且随肋板厚度的增加其值有所减小。

［1］孙治国，王东升，张蓓，等.高原大桥桥台地震破坏机理与抗震措施分析［J］.地震工程与工程振动，2012（4）：79-87.

［2］祝志文，喻鹏，刘震卿.桥台局部冲刷形态的CFD动态仿真［J］.土木工程学报，2014（3）：103-111.

［3］贺薇，王保田.肋板式桥台填土期间的土压力和桥台位移的现场试验研究［J］.现代交通技术，2017（6）：32-35.

Influence of Abutment Height on the Ribbed Slab Abutment Stress Characteristic

Zhang Han1Zhao Xiangling2Wang Andong2
（1.The Fourth Engineering of China Railway First Group Co.Ltd.，Xianyang Shaanxi 712021；2.Shaanxi Railway Institute，Weinan Shaanxi 714099）

Based on the investigation of abutment that the hight is more than 8m crack,it is summed up that the influence of the abutment height on abutment is sensitive,therefore,the analysis of the mechani⁃cal properties height of the abutment on ribbed plate type abutment is practical engineering value.For the problem that the ribbed plate-type abutment is more than 8m and in operating with crack,the finite ele⁃ment software Midas/Civil is used to build the 40m span bridges three-dimensional model,the height of ribbed slab platform is 8,10,12,14m respectively,the mechanical characteristics of the structure above on ribbed slab stage under the action of the partial load of the car,the crowd load,temperature load,creep and shrinkage of concrete is analyzed.Resultshowed that the effect of load is at constant,with the increase of the abutment height hat along the bridge to the displacement decreases,the growing rate of the transverse stress is increase with 3%.

rib-plate-shaped bridgeabutment；maximum displacement；aximum principal tensile stress

U45

A

1003-5168（2017）10-0114-03

2017-09-02

张涵（1982-）男，本科，工程师，研究方向：桥梁与隧道。