基于Ansys的連續(xù)剛構(gòu)橋和斜坡相互影響機(jī)理研究*

樊旭 周文皎 邱樹茂 萬軍利

1. 云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司 云南 昆明 650000；2. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所 北京 100081；3. 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院 北京 100044

引言

我國滇西北大部分地區(qū)都屬于多山丘陵區(qū)域。隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，大量的高速公路在滇西北山區(qū)開始修建，勢必需要跨越河流，山丘，因此需要許多大幅度的橋梁。云南省香格里拉至麗江高速公路（以下簡稱香麗高速公路），路線全長140.305km，其中主線長125km，連接線長15km。根據(jù)國家公路網(wǎng)規(guī)劃（2013年-2030年）和云南省干線公路網(wǎng)布局方案，香麗高速公路是國家高速公路網(wǎng)北京至西藏高速公路的西寧～麗江聯(lián)絡(luò)線（G0613）中的一段，也是云南省干線公路“9210”骨架網(wǎng)中昆明至德欽公路的重要組成部分，在云南省干線公路規(guī)劃中起主骨架作用。本段公路向南經(jīng)大麗高速與國高網(wǎng)G56杭瑞高速相接，形成以滇西北地區(qū)的主骨架布局，后期高速公路向北經(jīng)迪慶州通往西藏、青海、甘肅、四川等省區(qū)，進(jìn)而連通新疆、內(nèi)蒙古等地，是云南進(jìn)出西藏的主要通道之一，因此本項目的建設(shè)對完善國家、云南省高速公路網(wǎng)，改善西部地區(qū)公路交通現(xiàn)狀，快速連接西藏、青海、甘肅、四川等省區(qū)及對外口岸具有重大意義[1]。

1 工程概況

本文計算是以香麗高速的洼里別大橋及周邊斜坡為例，洼里別大橋位于云南省迪慶藏族自治州香格里拉市虎跳峽鎮(zhèn)境內(nèi)，為跨越山谷而設(shè)，香格里拉岸連接路基、麗江岸與隧道相連，是香格里拉至麗江高速公路控制性工程之一。該橋位于分離式的路線段，起止里程為K63+020至K63+790。左幅橋跨布置為：54m鋼箱組合梁+（73+130+73）m連續(xù)鋼構(gòu)+54m鋼箱組合梁，橋長（不含橋臺）為384m。右幅橋跨布置為：（2×45）m鋼箱組合梁+（73+130+73）m連續(xù)鋼構(gòu)+54m鋼箱組合梁，橋長（不含橋臺）為420m，單幅橋?qū)挒?2m。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型與材料參數(shù)

橋梁和抗滑樁鋼筋混凝土材料、斜坡土體的本構(gòu)模型為線彈性。橋面與斜坡的接觸面采用SURF154，橋梁樁基礎(chǔ)與斜坡、抗滑樁與斜坡和預(yù)應(yīng)力錨索與斜坡均采用整體式模型，樁土摩擦系數(shù)取μ=0.3，斜坡單元平均尺寸為5m，鋼筋單元網(wǎng)格大小為0.5m，混凝土結(jié)構(gòu)網(wǎng)格0.6m。模型如圖1所示[2]。根據(jù)地質(zhì)資料，計算中采用的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 洼里別連續(xù)剛構(gòu)橋和橋梁所處環(huán)境斜坡的共同作用有限元模型

表1 模型各部分單元類型及物理力學(xué)參數(shù)

2.2 單獨(dú)模型計算結(jié)果分析

有限元計算可知洼里別連續(xù)剛構(gòu)橋有限元模型的ANSYS分析結(jié)果，在重力作用下，斜坡的最大位移為主橋跨中合龍段截面的-0.1453m，全橋順橋向應(yīng)力較小，應(yīng)力最大的截面是主跨跨中合龍段截面頂面的23.9799MPa和底面的11.5179MPa，另有各個橋墩上方橋面截面應(yīng)力較大，其余部分接近于0[3]。

采用強(qiáng)度折減法分析斜坡的穩(wěn)定性，折減系數(shù)F=1.2、1.3時，計算均能一步收斂，當(dāng)F=1.35時，不收斂，出現(xiàn)上下兩條塑性帶。此處安全系數(shù)有所增大，大里程段斜坡安全系數(shù)為1.35，說明抗滑樁對于斜坡起到一定的加固作用。出現(xiàn)上下兩條塑性帶說明，此時淺表層滑面發(fā)生蠕動變形，而深層塑性尚未貫通。變形主要存在于新滑坡體的主滑段和牽引段，并未延伸到抗滑段。應(yīng)變最大的位置在前后兩排抗滑樁之間，此處淺表層土體受到支擋和防護(hù)作用較小，因此變形會大于其他位置[4]。

3 共同作用模型計算結(jié)果分析

3.1 天然工況下

當(dāng)施加橋梁所處環(huán)境斜坡后，橋梁主橋合龍段跨中截面豎直向位移雖略有增大，為-0.1536m，但仍滿足相關(guān)規(guī)范要求。同時由于全橋豎向整體發(fā)生向下位移，可視為中跨截面變形滿足要求。由于斜坡作用導(dǎo)致橋梁兩側(cè)橋面在豎直方向上的位移較大，位移最大點(diǎn)在麗江岸一側(cè)，達(dá)到-0.01816m，其與相鄰橋墩墩頂橋面的相對位移也有0.07～0.08m，雖滿足規(guī)范對橋涵撓度變形的要求，但已接近0.09m的限值。斜坡作用對于連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)的順橋向應(yīng)力有所減小，但橋梁樁基礎(chǔ)底部順橋向應(yīng)力增大較為明顯，這說明兩側(cè)斜坡外力作用通過樁基礎(chǔ)和橋墩的傳導(dǎo)，使橋面應(yīng)力分布更加合理[5]。

在斜坡外力作用下，主橋兩個橋墩順橋向位移發(fā)生反轉(zhuǎn)，由向兩側(cè)分開變?yōu)橄蛑虚g聚攏，麗江岸主橋橋墩位移變化超過0.07m。在斜坡作用下，麗江岸橋墩墩頂位移最大，為0.04619m。

與斜坡模型塑性應(yīng)變云圖相比，橋梁整體結(jié)構(gòu)的施加對于原有的斜坡塑性應(yīng)變有略微的降低作用。這說明橋梁結(jié)構(gòu)對于普通工況下的斜坡尤其是上半部分的軟弱土體有一定的加固作用。塑性變形主要存在于兩排抗滑樁后方的主滑段和牽引段以及兩排抗滑樁中間施工便道下方位置，處于主滑帶蠕動變形階段，滑面尚未貫通，并未引起斜坡整體變形。塑性區(qū)分布較為分散[6]。

圖2 共同作用模型：塑性應(yīng)變云圖

3.2 斜坡失穩(wěn)極限工況

由于斜坡安全系數(shù)在1.35左右，在分析斜坡失穩(wěn)狀態(tài)下斜坡對橋梁的影響時，在斜坡與橋梁共同作用模型中，采用折減系數(shù)F=1.35對斜坡強(qiáng)度進(jìn)行折減。得到以下結(jié)果。

對比可知，在斜坡發(fā)生失穩(wěn)產(chǎn)生塑性變形時，由于橋梁兩側(cè)橋墩受到擠壓，在中跨合龍段截面位移有略微減小。但在麗江岸一側(cè)的橋面豎直向位移增大較多，其與相鄰橋墩墩頂橋面的相對位移也增大了約有0.007m，需重點(diǎn)檢測[7]。

與普通工況下的橋梁斜坡共同作用模型相比，在斜坡失穩(wěn)時，主橋橋墩的墩頂截面與其上方橋面相對位移進(jìn)一步增大，香格里拉岸橋墩約為0.025m，麗江岸約為0.040m。此時主橋橋墩的墩頂截面應(yīng)力、樁底應(yīng)力也進(jìn)一步增大，橋梁尚未發(fā)生塑性形變，橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力仍在限值以內(nèi)。

在發(fā)生斜坡失穩(wěn)時，橋梁施加后的斜坡塑性應(yīng)變增幅較大，這是由于在斜坡失穩(wěn)時，橋梁對斜坡的加固作用已經(jīng)不足抵消橋梁重力的影響。前排抗滑樁方是斜坡塑性應(yīng)變最大的區(qū)域且增幅最大，處于斜坡與洼里別大橋的橋面接觸部位以下，坡體滑移會導(dǎo)致橋梁懸空面增加，進(jìn)而影響整個橋梁結(jié)構(gòu)。除此之外，斜坡失穩(wěn)在橋面上部堆積也會產(chǎn)生不利影響[8]。

3.3 香麗高速洼里別大橋兩岸工況

3.3.1通過對橋梁和斜坡體的數(shù)值模擬分析，可以總結(jié)出連續(xù)剛構(gòu)橋和斜坡的相互影響機(jī)理：兩側(cè)斜坡的下滑力均對與之接觸的橋梁橋面兩側(cè)截面、橋墩和樁基礎(chǔ)的作用明顯；橋梁橋墩和樁基礎(chǔ)對于斜坡上部分土層有一定的加固作用。

3.3.2在斜坡發(fā)生失穩(wěn)產(chǎn)生塑性變形時，由于橋梁兩側(cè)橋墩受到擠壓，在中跨合龍段截面將更加安全。但在橋梁兩側(cè)的橋面變形較大，與其相鄰橋墩墩頂橋面的相對位移的增大也較多。主橋橋墩墩頂截面順橋向變形增幅不大。橋梁對斜坡的加固作用已經(jīng)不足抵消橋梁重力的影響，大里程端橋面附近斜坡是十分危險。

3.3.3基于大橋是整段線路的控制性工程，梁兩側(cè)橋面、合龍段跨中截面、主橋兩個橋墩是橋梁變形和應(yīng)力的關(guān)鍵位置，需長期監(jiān)測。而斜坡雖處于穩(wěn)定狀態(tài)，但一旦發(fā)生坡體失穩(wěn)下滑并在橋面、橋墩處堆積或橋面下土體滑動等情況，勢必給全橋結(jié)構(gòu)帶來影響。

4 結(jié)束語

綜上所述建議對斜坡采用削方減載、及時清理等手段，以應(yīng)對危險工況。