重力式U型橋臺沉降的有限元數(shù)值模擬及監(jiān)測研究

作者簡介：馬春蘭（1988—），工程師，主要從事公路橋梁工程建設管理以及公路養(yǎng)護管理工作。

摘要：文章依托廣西某葵拱式鋼筋混凝土箱形板拱橋下部結構施工工程，在U型橋臺澆筑及臺后回填完成后進行全面檢測發(fā)現(xiàn)，橋臺頂面陸續(xù)觀測到裂縫，且裂縫逐漸發(fā)展；采用有限元計算軟件ABAQUS建立實體單元模型模擬橋臺病害的產(chǎn)生情況，通過賦予底座不同的剛度來模擬基礎底面不同區(qū)域地基沉降的可能性；結合連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，病害橋臺變形與裂縫仍有所發(fā)展；基于有限元多工況模擬分析，采用加固補強法增強橋臺約束彈性模量，可較好地控制橋臺，為該U型橋臺提供前期病害分析和后期加固參考。

關鍵詞：橋梁工程；U型橋臺；沉降變形；有限元模擬

中圖分類號：U443.21A421454

0 引言

近年來，重力式U型橋臺因構造相對簡單，用以銜接橋梁與路基，通常無須布設鋼筋且造價較低、性能良好，是橋梁施工的一種經(jīng)濟性解決方案，所以在橋梁建設中的應用越來越廣泛^［1-2］。由于路堤填料和天然土壤的沉降，橋臺部位可能會形成不均勻沉降。一般來說，橋臺沉降的問題會嚴重影響橋梁安全，可能導致不安全的駕駛環(huán)境、車輛損壞和額外的維護成本^［3］。因此，相關職能部門對橋梁橋臺部位的檢測與評估工作日漸重視。

目前，相關學者已對重力式U型橋臺開展了相關研究，結合橋臺建設地質(zhì)與巖土條件，采用監(jiān)測手段對橋臺使用初期出現(xiàn)的病害展開分析，針對巖質(zhì)坡體破碎滑動引起的病害建議采用注漿和錨索方式加固預防^［4］。此外，有學者采用有限元軟件建立空間實體模型，探討橋臺參數(shù)、加固方法對其受力性能的影響，認為主拉應力過大而引起橋臺裂縫，主要歸因于填土所致，從而進行針對性加固改善^［5］。大量研究人員對重力式U型橋臺常見病害形式及成因進行總結分析，并初步提出相應的針對性處置策略^［6］。本文針對新建重力式U型橋臺病害問題，基于ABAQUS實體單元模型，綜合考慮基礎不同區(qū)域沉降可能性，進行多工況數(shù)值模擬分析，以此深入分析橋臺病害機理，并提出加固治理建議。

1 工程概況

1.1 下部結構

廣西某葵拱式鋼筋混凝土箱形板拱橋，全長128.103 m，橋梁總寬26.5 m。其0^#與1^#橋臺均為重力式U型橋臺，主要是用來銜接橋梁與路基，橋臺構造物因臺身形式接近U形字母，故稱之為U型橋臺。橋臺支撐在拱座基礎上，承受周遭荷載并向下傳遞，所以通常要求橋臺應具有一定的強度、剛度和穩(wěn)定性?；A均為明挖擴大基礎，基底容許承載能力［σ₀］≥2 800 kPa，且應嵌入完整的中風化灰?guī)r層≥1.0 m，并滿槽澆筑。0^#橋臺臺背回填素混凝土，1^#橋臺臺背回填透水性好的材料。然而，在1^#橋臺澆筑及臺背回填完成后，橋臺頂面陸續(xù)出現(xiàn)裂縫，且裂縫逐漸發(fā)展。根據(jù)《城市橋梁養(yǎng)護技術標準》（CJJ 99-2017）的相關規(guī)定，B類環(huán)境下墩臺身恒載裂縫寬度最大限值為0.25 mm（有筋）和0.35 mm且不允許貫通墩臺身截面一半（無筋）。1^#橋臺裂縫檢查具體結果匯總于表1。

1.2 數(shù)值模型

為了模擬該橋1^#橋臺裂縫的產(chǎn)生情況，采用有限元計算軟件ABAQUS建立實體單元模型進行模擬分析，其主要材料參數(shù)取值如表2所示。

1^#橋臺有限元模型由U型橋臺、橋臺基礎、臺帽、拱座基礎、拱座以及基礎底部用于模擬彈性約束或剛性約束的底座（3 m厚）組成，見圖1（a）；假設模型各部分連接良好（綁定約束），在底座底部施加三個方向的位移約束，見圖1（b）；自重及土壓力施加情況見圖1（c）。

2 橋臺沉降變形特征及監(jiān)測分析

2.1 考慮底座剛度的基礎不均勻沉降模擬工況

針對1^#橋臺有限元模型，通過賦予底座不同的剛度來模擬基礎的不均勻沉降情況。為了準確模擬基礎底面不同區(qū)域地基存在的沉降可能性，將拱座基礎及橋臺基礎分為四個部分并記為1～4（如圖2所示），圖3中黑色代表彈性約束（弱約束）、灰色代表剛性約束（強約束）。通過4個區(qū)域不同約束強弱的組合，分析1^#橋臺可能產(chǎn)生的沉降及拉應力。具體計算工況見表3。

2.2 橋臺沉降變形的有限元模擬工況計算與分析

基于ABAQUS有限元軟件建立的1^#橋臺有限元模型，按照表3中的9種工況以盡可能模擬基礎底面不同區(qū)域地基沉降可能性，從而研究1^#U型橋臺應力場和沉降位移場隨著橋臺底座剛度變化的規(guī)律，全面分析1^#橋臺的應力及變形狀態(tài)。本文分別建立了1^#U型橋臺的9種工況有限元模型，并從中提取了主要應力值和位移值。9種工況對應的部分應力和位移沉降云圖如圖3所示。

由圖3可知，根據(jù)有限元模擬計算，工況一和工況三的應力與沉降云圖相似，最大拉應力發(fā)生在橋臺弱約束部分，且橋臺的沉降變形也是由強約束部分向弱約束部分逐漸增大。同樣，工況二和工況四的模型參數(shù)擬定與工況一和工況三的情況類似，由有限元模擬可以判斷，強弱約束部分相反，橋臺的沉降變形仍舊由強約束部分向弱約束部分逐漸增大，但最大拉應力過渡至橋臺強弱約束中間部分。針對工況三、工況七～九，通過增加弱約束部分彈性模量，可以看出最大拉應力與最大沉降逐漸偏移至基礎底部的弱約束部分。

根據(jù)1^#橋臺有限元模型多工況下的計算結果，分別提取各工況最大拉應力與最大沉降變形位移值并匯總至表4。由表4可知，在多工況作用下，橋臺最大拉應力與最大沉降值呈現(xiàn)出一致的變化規(guī)律，在橋臺中強約束部分越少，則計算得到最大拉應力及最大沉降值越大。當約束彈性模量逐漸增大時，橋臺對應的最大拉應力與沉降變形隨之減小。因此，對于U型橋臺開裂及沉降等問題，采用粘貼鋼板、設置預應力筋等橋臺加固補強方法，可以對其應力與沉降變形狀態(tài)起到較好的控制效果。

2.3 橋臺沉降變形監(jiān)測分析

基于橋臺沉降變形的有限元模擬分析，結合1^#橋臺裂縫檢查結果，為了進一步評估1^#U型橋臺施工效果，在1^#橋臺和拱座布置了沉降和變形測點以監(jiān)測其變形情況。沉降監(jiān)測采用精密水準儀，變形監(jiān)測采用高精度全站儀，同時選取表1中的5^#裂縫為重點監(jiān)測對象，并布置測縫計來觀測裂縫寬度的變化情況。

根據(jù)連續(xù)一個月的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，1^#橋臺沉降變形為-0.41～0.42 mm，拱座沉降變形為-0.44～0.47 mm，橋臺水平位移為-1.9～2.3 mm，拱座水平位移為-2.6～1.8 mm。此外，5^#裂縫寬度變化為-0.060～0.029 mm。按照《城市橋梁養(yǎng)護技術標準》（CJJ 99-2017）的相關規(guī)定，墩、臺出現(xiàn)結構性斷裂縫或裂縫有開合現(xiàn)象，傾斜、位移、沉降變形危機橋梁安全時，可直接評定為不合格級或D級橋。

3 結語

（1）重力式U型橋臺因基礎不均勻沉降變形而導致拉應力過大，誘發(fā)臺身裂縫病害，屬于結構性受力裂縫。

（2）橋臺強約束部分與最大拉應力及最大沉降值緊密相關，當約束彈性模量逐漸增大時，橋臺對應的最大拉應力與沉降變形隨之減小。

（3）基于有限元多工況模擬分析，可采用加固補強法增強橋臺基礎的約束彈性模量，以較好地控制橋臺穩(wěn)定性。

U型橋臺澆筑及臺后回填完成后，橋臺頂面逐漸出現(xiàn)裂縫病害，且沉降變形與裂縫不斷發(fā)展。本文結合有限元分析與實際監(jiān)測，建議在U型橋臺施工前期進行病害分析并采取相應加固處置措施。

參考文獻

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