倾斜桥墩的安全性评估
倾斜桥墩的安全性评估
王建利(第一作者)
(贵州桥梁设计院有限公司,贵州,贵阳 550001)
胡靖(第二作者)
(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司,贵州,贵阳 550081)
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 中图分类号: 文献标识码:
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。
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[1]。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:
有限元模型
A
有限元模型
B
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。
有限元模型C
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;
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;
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#墩左立柱轴力影响线如下图:
1#墩左侧立柱轴力影响线
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[2]
,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。
表 1 墩柱强度验算
外荷载效
强度
强度
验
单元 验算类型
应(KN)
(KN) 系数 算 1479 最大轴力偏压验算 9959 35238 3.5 OK 1479 最小弯矩偏压验算 8516 36503 4.3 OK 1479 最大轴力轴压验算 9959 23999 2.4 OK 1479 最大弯矩偏压验算 8363 34450 4.1 OK 1485
最大轴力偏压验算
10570
35534
3.4
OK
外荷载效
强度强度验单元 验算类型
应(KN)
(KN) 系数 算 1485 最大弯矩偏压验算 10347 35371 3.4 OK 1485 最大轴力轴压验算 10570 23999 2.3 OK 1485 最小弯矩偏压验算 7225 36358 5.0 OK 1490 最大轴力偏压验算 11109 35773 3.2 OK 1490 最大弯矩偏压验算 11071 35732 3.2 OK 1490 最大轴力轴压验算 11109 23999 2.2 OK 1490 最小弯矩偏压验算 7540 36629 4.9 OK 1503 最大轴力偏压验算 12738 36655 2.9 OK 1503 最大弯矩偏压验算 12598 36630 2.9 OK 1503 最大轴力轴压验算 12738 23999 1.9 OK 1503
最小弯矩偏压验算
9010
36074
4.0
OK
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%。
表 2 有限元模型A墩柱强度验算
外荷载效
强度
强度
验
单元 验算类型
应(KN)
(KN) 系数 算 1479 最大轴力偏压验算 9997 35978 3.6 OK 1479 最小弯矩偏压验算 8579 36098 4.2 OK 1479 最大轴力轴压验算 9997 23999 2.4 OK 1479 最大弯矩偏压验算 8364 35158 4.2 OK 1485
最大轴力偏压验算 10607 36047 3.4 OK 1485 最大弯矩偏压验算 8640 36505 4.2 OK 1485 最大轴力轴压验算 10607 23999 2.3 OK 1485 最小弯矩偏压验算 8953 35736 4.0 OK 1490 最大轴力偏压验算 11147 36102 3.2 OK 1490 最大弯矩偏压验算 11089 36059 3.3 OK 1490 最大轴力轴压验算 11147 23999 2.2 OK 1490
最小弯矩偏压验算 7576 36308 4.8 OK 1503 最大轴力偏压验算 12738 36636 2.9 OK 1503 最大弯矩偏压验算 12590 36610 2.9 OK 1503 最大轴力轴压验算 12738 23999 1.9 OK 1503
最小弯矩偏压验算
9009
36104
4.0
OK
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。
表 3 有限元模型C墩柱强度验算
外荷载效
强度
强度
验
单元 验算类型
应(KN)
(KN) 系数 算 1479 最大轴力偏压验算 9780 36518 3.7 OK 1479 最小弯矩偏压验算 8634 36596 4.2 OK 1479 最大轴力轴压验算 9780 23999 2.5 OK 1479 最大弯矩偏压验算 8878 36047 4.1 OK 1485 最大轴力偏压验算 10390 35895 3.5 OK 1485 最大弯矩偏压验算 10240 35943 3.5 OK 1485 最大轴力轴压验算 10390 23999 2.3 OK 1485 最小弯矩偏压验算 6390 35895 5.6 OK 1490 最大轴力偏压验算 10929 35417 3.2 OK 1490 最大弯矩偏压验算 10929 35417 3.2 OK 1490 最大轴力轴压验算 10929 23999 2.2 OK 1490 最小弯矩偏压验算 6689 35848 5.4 OK 1503 最大轴力偏压验算 12555 36679 2.9 OK 1503 最大弯矩偏压验算 12555 36679 2.9 OK 1503 最大轴力轴压验算 12555 23999 1.9 OK 1503
最小弯矩偏压验算
9030
36317
4.0
OK
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。
参考文献
[1]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).
[2]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).