多荷載作用下考慮支座接觸滑移的大縱坡梁橋受力分析*

林俊， 黃志剛

(1.江西省公路工程檢測中心， 江西 南昌 330013；2.江西省交通工程集團有限公司， 江西 南昌 330038)

中小跨徑山區高速公路橋梁多采用標準化、裝配式的預制T梁結構，受山區地形影響，為滿足行車及通行安全要求，主梁與水平面間設置一定坡度，即大縱坡。大縱坡橋梁的T梁底部與支座接觸容易發生滑移破壞，不僅影響橋梁的整體受力性能，而且一定程度上影響橋梁的安全性與適應性。國內學者對大縱坡梁橋梁底與支座的接觸滑移受力性能進行了一些研究，如伍彥斌等采用彈性庫侖摩擦模式的點-點接觸單元、非線性彈簧單元和間隙-滑動組合單元，模擬了橋梁結構活動支座的單向受力或非對稱受力行為及摩擦滑移、脫空、限位等非線性特性；翟文博等針對索膜整體張拉結構環桁架支座，提出了一種徑向可滑、環向限位鉸支座，并對該支座節點的受力性能進行了考慮摩擦接觸的有限元計算分析，結果表明采用鉸支座的模型其受力性能較好；李沖等通過對比分析考慮摩擦滑移后板式橡膠支座的力-位移滯回曲線、等效剛度、等效阻尼比及滯回耗能等力學特性與鉛芯橡膠支座的異同，得出考慮摩擦滑移的板式橡膠支座可耗散大量地震能量；劉輝等以李家灣大橋為依托工程，采用ABAQUS有限元軟件建立實體模型，分析了支座摩擦系數對橋墩受力的影響。上述研究多考慮支模滑移對大縱坡受力的影響，沒有考慮多種荷載的組合作用。本文以江西省高速公路中常見多片T形梁橋為研究對象，建立多跨精細化大縱坡T形橋梁有限元模型，采用非線性彈簧單元模擬滑移支座，對模型施加溫度、車道荷載、自重等多種組合荷載，分析考慮支座接觸滑移時兩跨一聯40 m T梁在不同支座摩擦系數下的受力性能。

1 工程概況

某山區高速公路橋梁，其中一聯為2×40 m T梁，橋面寬11.2 m，等級為公路-Ⅱ級。主梁與水平面設置5%縱坡，設計荷載包括公路-Ⅱ級車道荷載、自重及升溫20 ℃的溫度荷載。結構橫向由5片T梁組成，其中單片T梁截面見圖1。T梁采用C50混凝土，翼緣寬0.9 m，腹板厚0.2 m，梁高1.8 m，設置上梗角0.9 m×0.1 m；馬蹄寬0.6 m、厚0.3 m，設置馬蹄斜角0.2 m×0.2 m。下部立柱高度為30 m，采用C40混凝土，直徑2.0 m。

圖1 某高速公路橋梁T梁計算模型示意圖(單位：m)

2 考慮水平約束的支座模擬及橋梁有限元模型建立

采用有限元軟件ANSYS建立橋梁模型，T梁、蓋梁、立柱等結構均根據實際尺寸模擬，T梁、蓋梁和立柱采用Solid65單元模擬，立柱間橫架采用Beam188梁單元模擬，各部分材料參數見表1。

表1 橋梁模型材料參數

橋梁結構整體建模中支座的處理方式一般有采用主從約束或理想約束模擬、采用線性彈簧阻尼單元模擬、采用非線性彈簧單元模擬3種。該橋采用線性調節器單元與線性彈簧阻尼單元相結合的方式對支座進行模擬，其中支座的軸向拉壓性能采用Link11軸向拉壓單元模擬，支座的摩擦性能采用Combin14彈簧單元模擬，并將其設置為1D軸向彈簧-阻尼器(見圖2)。

圖2 考慮滑移的支座模擬

模型模擬分析中考慮自重、溫度荷載和車道荷載3種常見荷載，其中溫度荷載考慮整體升溫20 ℃，車道荷載使用車道線的布置形式(布置4條車道線)。T梁2#墩支座采用固結，立柱底部約束X、Y、Z3個方向的自由度。橋墩采用固結，主梁和橋梁之間采用水平彈簧和豎向彈簧支撐進行約束，水平彈簧根據摩擦系數大小提供不同約束，豎向彈簧根據支座剛度、直徑提供相應約束。有限元計算模型見圖3。

圖3 考慮支座滑移的大縱坡多片T梁有限元分析模型

計算假定如下：1) 不考慮T梁橫隔板的作用；2) 不考慮橋面的橫坡影響；3) 主梁與支座接觸，未脫離；4) 不考慮樁土相互作用的影響。

支座摩擦系數、支座參數按常溫下盆式橡膠支座設置。根據JT/T391—2009《公路橋梁盆式支座》，選取摩擦系數μ分別為0.03、0.05、0.07。分析工況如下：工況1為摩擦系數0.03，1.2自重+1.4車道荷載+0.7×1.4溫度荷載；工況2為摩擦系數0.05，1.2自重+1.4車道荷載+0.7×1.4溫度荷載；工況3為摩擦系數0.07，1.2自重+1.4車道荷載+0.7×1.4溫度荷載。其中摩擦系數的變化通過轉化為Combin14單元的剛度系數與黏滯阻尼系數來實現，不同摩擦系數對應的剛度系數和黏滯阻尼系數見表2。

表2 極限摩擦阻力

3 計算結果與分析

3.1 T形主梁受力分析

T形主梁在荷載作用下跨中產生較大彎矩，兩端產生較大剪力。3種工況下跨中T梁頂部節點縱橋向(Z向)應力見圖4、撓度見圖5，T梁兩端節點應變見圖6。

圖4 3種工況下跨中T梁頂部節點Z向應力對比

圖5 3種工況下跨中T梁頂部節點撓度對比

圖6 3種工況下T梁端面頂部Z向總應變對比

從圖4可以看出：支座摩擦系數從0.03增大到0.07，T形主梁跨中頂部各節點的應力增大。支座摩擦系數從0.03增大到0.05，第一跨、第二跨的峰值應力分別增大189.1 kPa、166.1 kPa；支座摩擦系數從0.05增大到0.07，第一跨、第二跨的峰值應力分別增大162.87 kPa、141.7 kPa。對于大縱坡梁橋，坡頂與坡底支座摩擦系數增大，在1.2自重+1.4車道荷載+0.7×1.4溫度荷載組合作用下，坡頂與坡底T梁兩端所受摩擦力增大，橋梁縱向所受應力增大。

由圖5可知：坡頂與坡底處支座的摩擦系數增大時，T梁在1.2自重+1.4車道荷載+0.7×1.4溫度荷載組合作用下跨中撓度減小。摩擦系數從0.03增大到0.05時，第一跨、第二跨峰值撓度分別減小1.15 mm、1.16 mm；摩擦系數從0.05增大到0.07時，第一跨、第二跨峰值撓度分別減小0.47 mm、0.38 mm。對于大縱坡梁橋，兩端支座摩擦系數增大，可一定程度上減小跨中撓度。

由圖6可知：坡頂與坡底處支座摩擦系數增大，T梁端面頂部節點的應變增大，其中峰值應變增大明顯。T形主梁頂部節點應變出現在翼緣兩端及翼緣與腹板連接處，摩擦系數從0.03增大到0.05時翼緣與腹板連接節點處應變增幅較大，達4 με。支座摩擦系數增大對大縱坡梁橋縱向應變有較大影響。

3.2 立柱與蓋梁受力分析

受地形、地貌、地質條件的影響，該橋設計采用柱式橋墩。對于簡支橋梁，蓋梁是一個承上啟下的重要構件，上部結構荷載通過蓋梁傳遞給下部結構和基礎，蓋梁是主要受力結構。蓋梁承受的主要荷載是T形主梁所受荷載通過支座傳遞的集中力，而立柱承受來自蓋梁傳遞的集中力。不同支座摩擦系數下蓋梁和立柱單元的橫向(X向)應力見圖7。

由圖7可知：對于連續多跨的大縱坡梁橋，主梁與支座固結時，縱坡中間處蓋梁及立柱所受橫向應力比兩端大；縱坡坡頂與坡底支座摩擦系數增大時，蓋梁與立柱的橫向應力增大，且最大與最小應力出現在蓋梁的中間部上下端面。因此，可適當提高大縱坡梁橋蓋梁與立柱材料的設計強度。

圖7 不同支座摩擦系數下蓋梁與立柱橫向(X向) 應力云圖(單位：MPa)

4 結論

本文對大縱坡梁橋中間段采用墩梁固結、梁端支座摩擦系數逐漸增大的方法，基于四點假設進行分析，得出以下結論：

(1) 兩端支座摩擦系數增大可一定程度上減小大縱坡梁橋跨中撓度，即支座水平約束下降會導致橋梁撓度增大。

(2) 在多種荷載組合作用下，支座摩擦系數增大，大縱坡梁橋T形主梁兩端所受摩擦力增大，使主梁順橋方向應力與應變增大、跨中撓度減小，支座摩擦系數的變化對主梁順橋方向應力與應變有較大影響。

(3) 在多種荷載組合作用下，支座摩擦系數增大會對大縱坡梁橋蓋梁的橫向應力產生一定影響。