靜風荷載對高墩大跨橋梁位移影響分析

段翔遠，徐井芒，陳 嶸

(西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

靜風荷載對高墩大跨橋梁位移影響分析

段翔遠，徐井芒，陳 嶸

(西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

為了研究靜風荷載對高墩大跨橋梁縱橫向位移的影響，為高墩大跨橋梁上鋪設無縫線路、無砟軌道提供理論依據，運用有限元軟件ANSYS，建立橋梁—墩臺—基礎相互作用一體化模型，分析了靜風荷載對橋梁縱向位移、橫向位移的影響以及不同橋型對靜風荷載抵抗能力的影響。結果表明，靜風荷載作用下，高墩大跨橋梁會產生較大的縱橫向位移;在最大風荷載作用下，橫向位移產生的軌向不平順值未超過高速鐵路軌向不平順管理值，且不會影響無縫線路的穩定性;靜風荷載下引起梁體和墩臺縱向位移會影響梁軌相互作用;采用剛構橋較連續梁橋有利于控制風荷載對橋梁變形的影響。

靜風荷載 高墩大跨 縱向位移 橫向位移

對于鐵路橋梁中的大跨度高橋墩，風荷載是影響其結構安全的重要因素。由于該類型橋梁跨度大、墩高以及相鄰墩的墩高差大，這使得在靜風荷載作用下墩的根部會產生較大的內力，橋梁在橫向會產生較大的不均勻位移［1-2］，這會對橋梁上鋪設無砟軌道、無縫線路產生不利影響。為了研究其不利影響，為高墩大跨橋梁上鋪設無砟軌道、無縫線路提供理論依據，本文以某路線中高墩大跨橋梁為例，利用有限元分析軟件ANSYS建立高墩大跨橋梁在靜風荷載作用下的分析模型［3-4］，研究縱橋向、橫橋向風對橋梁縱橫向位移的影響，分析過程中對于剛性較大的橋梁，只考慮平均風壓(即穩定風壓)的作用［5］。

1 計算模型及參數

1.1 計算模型

高墩大跨鐵路橋跨徑布置為92 m+168 m+92 m，其總體布置見圖1。主梁橫截面為單箱單室變截面，端支座和主梁跨中梁高為6.0 m，中支點處梁高為11.5 m，其間梁高按二次拋物線變化。邊墩(3#和6#墩)采用矩形截面實心墩，墩高37 m;中墩(4#和5#墩)采用矩形截面空心墩，墩高112 m。橋墩基礎均采用鉆孔灌注樁，邊墩和中墩下的樁基礎直徑分別為1.5 m和2.5 m，樁長為20 m。

圖1 大橋總體布置示意

本文利用ANSYS軟件開發的體系結構，對其進行二次開發，編制了該高墩大跨橋在靜力風載作用下的有限元程序，采用APDL(ANSYS參數化設計語言)來控制程序流程，自動完成有限元建模、荷載施加和方程求解。結構的有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

模型中梁體、橋墩和樁均采用空間梁單元Beam188單元模擬，承臺采用實體單元 Solid45模擬;承臺、樁與土之間的相互作用采用等代土彈簧單元Combin14模擬。

1)梁體。按照設計圖的要求，梁體為單箱單室變截面梁，模型中，每2 m形成一個箱形截面，共形成了177個截面，即176個變截面梁，如圖3所示。

圖3 梁體截面

2)橋墩。模型中以實心矩形變截面梁模擬邊橋墩，每2 m劃分一個單元，共38個單元;中橋墩的上部以空心矩形變截面梁模擬，下部以實心矩形變截面梁模擬，每2 m劃分一個單元，共112個單元。

3)承臺。由于承臺與許多樁基礎相連，為方便建模，以實體單元模擬承臺，在承臺與上部梁體連接面和承臺與下部樁基礎連接面上形成了剛性區域，如圖4所示。

圖4 承臺與橋墩和樁的連接

4)樁基礎。如圖5(a)、5(b)所示，邊橋墩下樁基礎由1.5 m的3×5根樁組成，每2 m劃分一個單元，共300個單元;中橋墩下樁基礎由2.5 m的3×7根樁組成，每2 m劃分一個單元，共420個單元。

1.2 計算參數

1)單元類型

模型中共用到 Solid45、Beam188、Combin14三種單元，如表1所示。

表1 單元使用情況

2)材料性能

圖5 樁基礎有限元模型

C55混凝土：彈性模量E=3.60×104MPa，密度 ρ=2 650 kg/m3，泊松比 μ=0.167;C40混凝土：E=3.40 ×104MPa，ρ=2 650 kg/m3，μ =0.167;C20 混凝土：E=2.80 ×104MPa，ρ=2 650 kg/m3，μ =0.167。

3)基礎土彈簧剛度(見圖6)

圖6 邊墩、中墩基礎—土相互作用

樁—土—結構模型是在Penzien模型基礎上作了改進而成的，采用以下假定：①在同一水平層土壤為各向同性線彈性體，但不同層土壤性質是不相同的;②側向土的性質在2個正交方向彼此無關;③土壤的抗力在軸向、側向和扭轉方向不耦合，且屬于小位移問題;④用等代土彈簧來反映土層的恢復力，其剛度用“m”法計算。

4)靜風荷載

根據《鐵路橋涵設計基本規范》，風荷載強度可按式W=K1K2K3W0計算，式中，W為風荷載強度(Pa);W0為基本風壓值(Pa)，W0=v2/1.6，按平坦空曠地面，離地面20 m、10 min內的平均最大風速 v(m/s)計算確定;一般情況W0可按“全國基本風壓分布圖”取值，并實地調查核實。K1為風載體形系數;K2為風壓高度變化系數，風壓隨離地面或常水位的高度而異;K3為地形、地理條件系數。

2 計算結果及分析

2.1 靜風荷載對橋梁橫向位移的影響

當該橋布置為連續剛構橋時，在基本風壓W0分別為500，600，700 Pa的作用下，梁體沿橋梁縱向的橫向位移如圖7(a)所示，邊墩沿墩高的橫向位移如圖7(b)所示，中墩沿墩高的橫向位移如圖7(c)所示。

圖7 不同風壓下梁體、邊墩、中墩的橫向位移

從圖7可以看出：在靜風荷載的作用下梁體產生較大的橫向位移，其最大值出現在梁體的中間位置，當基本風壓W0為500，600，700 Pa時，最大橫向位移分別為8.40 mm，10.08 mm和11.76 mm，即隨著靜風荷載的增加，梁體的橫向位移逐漸增加;墩在靜風荷載作用下的橫向位移隨著墩高的增加而增加，且當墩高較低時呈線性增加，當墩高較高時呈非線性增加，邊墩墩高為37 m，在500，600，700 Pa的靜風荷載的作用下其墩頂的橫向位移分別為1.08 mm，1.30 mm和1.51 mm，而當墩高增加到112 m時，其墩頂的橫向位移增加到5.22 mm，6.27 mm和7.31 mm。

根據計算橫向位移曲線，分析了10 m，42 m和120 m的最大軌向偏移值，分別為0.041 5 mm，0.494 6 mm和2.882 4 mm，均小于高速鐵路不平順管理值。

2.2 靜風荷載對橋梁縱向位移的影響

當該橋布置為連續剛構橋時，在基本風壓分別為500，600，700 Pa的作用下，梁體、邊墩、中墩的縱向位移如圖8所示。

由圖8可知，在靜風荷載的作用下中墩帶動梁體在縱向發生了位移，且其沿梁體縱向基本相等，當基本風壓為500，600，700 Pa時，梁體的縱向位移分別約為5.1 mm，6.1 mm和7.2 mm;邊墩由于墩高較低，其在縱向與梁體能自由伸縮，故其墩頂的縱向位移較小，當基本風壓為500，600，700 Pa，其縱向位移分別為0.82 mm，0.98 mm和1.15 mm，其墩頂與梁體的相對位移分別為4.28 mm，5.12 mm和6.05 mm。

風載作用下墩臺頂部會產生一定的縱向位移，可影響梁軌相互作用。

2.3 橋型不同時靜風荷載對橋梁縱橫向位移的影響

圖8 不同風壓下梁體、邊墩、中墩的縱向位移

當基本風壓為700 Pa，該橋分別布置為連續剛構橋、連續梁橋時，梁體沿橋梁縱向的橫向位移如圖9(a)所示，邊墩沿墩高的橫向位移如圖9(b)所示，中墩沿墩高的橫向位移如圖9(c)所示。

從圖9可知，在靜風荷載的作用下，連續剛構橋的最大橫向位移比連續梁橋要小，且從梁端到梁的中間位置，連續剛構橋的橫向位移從略大于連續梁橋的橫向位移逐漸變成小于連續梁橋的橫向位移，當基本風壓為700 Pa時，連續剛構橋的最大橫向位移為11.76 mm，連續梁橋為14.91 mm;橋型對高墩橫向位移的影響不大，橋梁布置為連續剛構橋和連續梁橋時，中墩墩頂的橫向位移分別為7.3 mm和7.8 mm，邊墩墩頂的橫向位移相差為0.5 mm左右。

當基本風壓為700 Pa，該橋分別布置為連續剛構橋、連續梁橋時，梁體的縱向位移如圖10(a)所示，邊墩沿墩高的縱向位移如圖10(b)所示，中墩沿墩高的橫向位移如圖10(c)所示。

圖9 橋型不同時梁體、邊墩、中墩的橫向位移

圖10 橋型不同時梁體、邊墩、中墩的縱向位移

從圖10可以看出，在靜風荷載的作用下，連續梁橋的縱向位移要大于剛構橋的縱向位移，當基本風壓為700 Pa時，連續梁橋的最大縱向位移為8.4 mm，連續剛構橋為7.2 mm;橋型不同對高墩大跨橋梁縱向位移有一定的影響。

3 結論

運用有限元方法，建立高墩大跨鐵路橋梁梁體—墩臺—基礎相互作用一體化模型，分析了靜風荷載對橋梁縱向位移、橫向位移的影響以及不同橋型時靜風荷載對橋梁位移的影響，可得到以下結論：

1)對于高墩大跨橋梁，在靜風荷載作用下，梁體及墩臺都會產生較大的縱橫向位移;但在最大風荷載作用下，橫向位移所產生的軌向不平順值未超過高速鐵路軌向不平順管理值。

2)由于該橋鋪設無砟軌道，則由靜風荷載產生的橋梁橫向位移不會影響無縫線路穩定性，但由于靜風荷載產生的梁體及橋墩縱向位移將會影響梁軌相互作用。

3)高墩大跨鐵路橋梁采用不同橋型對風荷載的作用響應是不同的，分析表明，采用剛構橋梁較連續梁橋有利于控制風荷載對橋梁變形的影響，故建議高墩大跨鐵路橋梁采用剛構橋梁。

［1］郭凡，楊永清，賈舒陽．高墩大跨預應力混凝土曲線連續剛構橋內力分析［J］．四川建筑科學研究，2009(12)：35-36．

［2］吳根存．鐵路高墩大跨剛構—連續組合梁橋設計［J］．鐵道標準設計，2007(2)：100-102．

［3］鄒啟賢，李兵．高墩大跨預應力混凝土連續剛構橋關鍵問題研究［J］．公路交通科技，2009(5)：176-179．

［4］劉志宏，詹建輝，黃宏力．高墩大跨徑連續剛構橋的穩定性分析［J］．中外公路，2005(6)：63-66．

［5］張鵬．高墩大跨連續剛構橋的風致響應分析［D］．武漢：華中科技大學，2005：29-31．

U448.28

A

1003-1995(2011)09-0001-04

2011-03-11;

2011-06-06

國家自然科學基金資助項目(51008256，51078320);中央高校基本科研業務費科技創新項目(SWJTU09CX003)

段翔遠(1987— )，男，遼寧葫蘆島人，碩士研究生。

(責任審編 白敏華)