基于BSAS有限元模拟的连续梁沉降影响分析

文｜中铁第一勘察设计院集团有限公司 高小宇

1 引言

图1 支座截面构造

图2 跨中截面构造

桥梁区域内地质情况复杂，不同岩层的沉降变形不同，会引起桥梁基础不均匀沉降。当桥梁基础遇到流水冲刷，也有可能导致桥梁地基的承载力不足，进一步导致桥梁基础的不均匀沉降[1]。本文结合某客货共线铁路小跨度（32+2×48+32）m 有砟轨道桥梁工程，利用有限元分析方法，分析墩台发生不均匀沉降工况后，桥梁结构受力的影响。桥址区气候低温严寒，年平均气温2.8℃。最大季节冻结深度142cm。工点处地层主要为第四系全新统洪积的砂质黄土、细圆砾土、粗圆砾土及卵石土，上更新统洪积砂质黄土、细圆砾土、细角砾土、粗圆砾土及二叠系板岩，以及湿陷性黄土等。

2 工程概况

本连续梁为某车站内大桥（32.6+2×48×32.6）m 预应力混凝土现浇连续箱梁设计。通过设置不同大小的不均匀沉降值，分析其对结构受力的影响。

2.1 主要设计标准

（1）设计速度：客车200km/h，货车设计速度120km/h。

（2）线路情况：新建铁路Ⅰ级铁路，直线，平坡。

（3）设计活载：ZKH 标准活载。

（4）轨道结构形式：有砟轨道。

2.2 结构设计

（1）箱梁构造

本梁联长161.2m，箱梁构造为单箱双室截面，箱梁跨度为 (32+2×48+32)m。

主墩墩顶4.0m 范围内梁高3.6m(不含桥面横坡)，跨中及边跨现浇段梁高2.6m，梁底曲线为二次抛物线。箱梁底宽8.5m，中墩处梁底局部加宽至9.3m；顶板厚0.34m，底板厚为0.30～0.60m，腹板厚为0.42～0.9m。顶宽13.3m，内测翼缘宽1.85m，外侧翼缘宽2.95m。全联在主墩墩顶和边支点处共设置四道横隔墙，梁端设一处横隔墙，厚1.2m，设宽1.2m、高1.05m 的过人洞；主墩墩顶处设一道横隔墙，厚1.6m，横隔墙中设宽1.6m、高1.6m 的过人洞。

（2）建筑材料

箱梁采用C50 混凝土，预应力钢束规格：fpk=1860Mpa；σcon＜0.7fpk=1302Mpa（锚下张拉控制应力）；预应力钢束公称直径φs=15.2mm，钢束弹性模量Ep=1.95×105Mpa。

3 有限元分析模型

通过BSAS 有限元模拟软件，本文实现了小跨度预应力混凝土连续梁受力的有限元模拟，并对不同沉降工况下结构受力进行了分析。

（1）模型建立：全桥均划分梁单元68个，每个单元分为I 和J 截面，设置节点69 个。

（2）施工阶段：全桥设置34个施工阶段，悬灌施工，边跨先合龙。

（3）有限元计算取值：环境相对湿度70%，混凝土平均加载龄期按7 天计，终极龄期按10000 天计。二期恒载采用197kN/m。活载、温度力、离心力等荷载按照《铁路桥涵设计规范》（TB10002-2017）办理。

（4）沉降工况：依据规范[3]不均匀沉降限值10mm，沉降设置5mm、7mm、10mm 三种工况；对于每一个沉降工况，取最不利组合计算。

4 结果分析

4.1 不均匀沉降对运营阶段截面应力的影响

在运营阶段下，不均匀沉降值分别为5mm、7mm、10mm 时对连续梁控制截面梁单元各应力值的影响情况如图3所示。图3中(a)～(g)分别为不均匀沉降值为5mm、7mm、10mm 时梁单元正截面最大应力、最小应力、主拉、主压应力的影响图。工况分别为：①主力工况；②主力+附加力工况。

图3 不均匀沉降对控制截面单元应力的影响

从图3(a)～(b)中可以看出，主力工况下不均匀沉降值为5mm、7mm、10mm 时梁单元正截面上缘最大压应力分别为10.99Mpa、11.11Mpa、11.29Mpa，正截面上缘最小压应力1.68Mpa、1.49Mpa、1.19Mpa；主力+附加力情况下不均匀沉降值为5mm、7mm、10mm 时梁单元正截面上缘最大压应力分别为12.10Mpa、12.22Mpa、12.40Mpa，正截面上缘最小压应力1.17Mpa、0.97Mpa、0.67Mpa；当不均匀沉降值增大时，主力工况和主力+附加力工况下梁单元正截面上缘最大应力值在逐渐增大，而下缘压应力在逐渐减小；不均匀沉降值之间压应力差值的变化在两种工况下基本一致，而且随着沉降值得增加，压应力的差值在增大。

从图3(c)～(d)中可以看出，在两种工况下，不均匀沉降值为5mm、7mm、10mm时梁单元正截面下缘压应力表现出和上缘压应力相似的规律。

从图3(e)～(f)中可以看出，在两种工况下，梁单元控制截面主拉应力、主压应力和最大剪应力都随着不均匀沉降值的增大而线性增大。

4.2 不均匀沉降对安全系数的影响

在运营阶段下，不均匀沉降值分别为5mm、7mm、10mm 时对连续梁控制截面梁单元强度和抗裂安全系数的影响情况如图4所示。

从图4(a)～(b)中可以看出，在主力工况下，不均匀沉降值为5mm、7mm、10mm时截面强度安全系数分别为2.34、2.30、2.24，抗裂安全系数为1.67、1.62、1.57；在主力+附加力工况下，不均匀沉降值为5mm、7mm、10mm 时截面强度安全系数分别为2.28、2.30、2.24，抗裂安全系数为1.51、1.49、1.45；强度安全系数和抗裂安全系数随着不均匀沉降值的增大而线性减小。

图4 不均匀沉降对安全系数的影响

通过分析不均匀沉降对梁控制截面的应力影响以及安全系数可得知，墩台基础等不均匀沉降对小跨度连续梁结构受力的影响非常明显，因此为了保证小跨度连续梁运营的安全，保障桥梁的线性平顺，应该加强基础设计，对基础施工和沉降观测做出严格的要求。

5 结论

通过对小跨度连续箱梁进行理论及有限元的分析可知对模型运算结果的分析，我们可知：

（1）随着不均匀沉降值的增大，控制截面上缘、下缘压应力差值的变化在两种工况下基本一致，而且随着沉降值得增加，压应力的差值在增大。

（2）对于控制截面梁单元应力而言，在两种工况下，梁单元控制截面主拉应力、主压应力和最大剪应力都与不均匀沉降值具有正相关。

（3）随着不均匀沉降值的增加，强度安全系数和抗裂安全系数均线性减小。设计时应该充分考虑不均匀沉降值的大小，并利用预应力等设计措施减小沉降造成的危害，施工时应加强施工监控，注意施工质量，保证墩台位移沉降值在容许范围内。