整体式桥台桥梁的简化计算模型研究

图 3 NCHRP 的被动土压力系数曲线
由于台后土和桩侧土的弹簧刚度分别与桥台和 桩基位移的大小有关, 因此结构的分析是一个非线 性分析过程, 需要反复迭代。
目前国内常用的桥梁设计软件尚无法考虑非线 性土弹簧sy s、Abaqus 等有限元分析软件能 够考虑台后土对结构的非线性作用, 但从桥梁设计 的角度出发, 这些分析软件尚不能满足设计要求。
模型。
图 2 桩基础的等代悬臂桩示意
为了考虑土- 结构之间的非线性相互作用, 文 献[ 6] 和文献[ 7] 提出了等代桩长的三维弹簧- 框架 模型, 即采用一系列离散的非线性土弹簧来模拟台 后土和桩侧土的作用, 其中台后土弹簧的刚度采用 美国国家公路合作研究计划( Nat ional Coo perat iv e H ighw ay Research Pro gram, 简称 NCH RP) 的设计 曲线, 见图 3 所示。图中 K 为土压力系数, $为桥台 位移, H 为桥台高度。桩侧土弹簧刚度则采用美国石 油协会( API 1993) 推荐的非线性 p - y 曲线确定。
2 整体式桥梁的简化计算模型 如上所言, 整体式桥梁受力的复杂, 在于上下部
结构浇注成整体后共同承受荷载作用。如果能够简 化台后土压力和桩侧土对结构的作用, 整体式桥梁 就可简化为一个框架结构, 其受力分析就容易得多。 本文的简化计算就是以此为出发点, 提出了如图 4 所示的三维框架简化计算模型, 即把台后填土对结 构的作用简化 为作用在桥台上的土压 力合力来考 虑, 把桩侧土与桩基的相互作用通过等代桩长予以 考虑, 其中等代桩长和土压力合力与作用位置还可 以利用二维弹簧- 框架模型来计算。三维框架的有 限元建模如下。
图 1 二维弹簧- 框架模型
基金项目: 上海市教委重点项目( 040A 01) ; 上海市自然科学基金项目( 05ZR14113) ; 福建省科技厅重点项目( 2006H0021) 收稿日期: 2008- 06- 05
2009 年 第 2 期
彭大文 洪锦 祥: 整体式桥台桥梁的简化计算模型研究
) 35 )
图 7 桥台高度的影响分析
由图 7 可以看出: 工况 1 时, 台后土压力合力和 朗金土压力合力的作用位置有一定偏差, 但土压力 合力计算值要远小于朗金被动土压力的计算值, 上 坂大桥的计算土压力大约仅是朗金最大被动土压力 的 471 8% ; 工况 2 时, 台后土压力合力和朗金土压 力合力的作用位置基本重合, 但土压力合力计算值 要大于朗金主动土压力的计算值, 上坂大桥的计算 土压力大约是最大朗金主动土压力的 11 28 倍。
2009 年 第 2 期
彭大文 洪锦 祥: 整体式桥台桥梁的简化计算模型研究
) 37 )
压力。
4 专用分析程序 IABS 及参数分析 本文从工程实际应用的角度出发, 在有限元结
构分析软件 ANSYS 的基础上进行二次开发, 编制 了计算桩基础的等代桩长和台后土压力合力的专用 分析程序 IABS。IABS 采用 ANSYS 参数化设计语 言 APDL 进行编制, 共有 38 个宏文件, 包括有限元 模型的建立、分析以及结果的处理等。
( 2) 桥台抗弯刚度和台后填土类型。 本文计算了桥台采用不同纵桥向抗弯刚度和台后 填土采用不同类型时, 工况 1 和工况 2 作用下, 等代桩 长和土压力合力的大小及其作用位置。计算表明, 桥 台抗弯刚度的变化和台后砂性填土的密实度不会对 桥台台后土压力合力和桩基的等代桩长产生影响。 41 2 桥台桩基础刚度 ( 1) 桩基长度。 表 1 给出了桥台桩基采用不同桩长时, 在上部
为了较好地分析整体式桥梁的受力性能并简化 设计, 本文在三维弹簧 ) 框架 模型基础 上, 根据 整 体式桥梁的结 构及施 工特 点, 提出 以下 简 化计 算
3 台后土压力与等代桩长的计算研究 对于整体式桥梁台后土压力的计算研究表明,
当上部结构伸长时, 作用在桥台的土压力不能按朗 金被动土压力计算, 必须考虑桥台位移的影响; 当整 体式桥台桥梁的上部结构收缩时, 一般可假定作用 在桥台的土压力为主动土压力。
这样, 在某一给定的荷载工况作用下, 可以采用 图 1 二维弹簧- 框架模型先求得台后土弹簧对桥台 的作用力, 将它们与台后作用的静止土压力进行迭 加, 就可得到台后 土压力的合力大 小和作用位置。 然后通过不断调整图 2 中桩基础的长度, 直到计算 结果( 主梁在桥台处的内力) 与采用图 1 的模型得到 的计算结果相等, 此时桩基础的长度就是在该荷载 工况下的等代桩长。上述计算流程见图 6 所示。
IABS 可以考虑主梁与桥 台、桥台 与桩基之 间 的不同连接以及桥台桩基基底的不同边界情况; 可 以计算单跨或多跨的整体式桥梁在给定荷载工况下 台后土压力的合力大小、作用位置及等代桩长。
对于设计工程师而言, 利用 IABS, 只需输入一 些简单参数, 程序将自动完成有限元模型的建立、荷 载施加、结构分析以及结果处理等功能。计算结束 后, IABS 会自动生成一个结果文件, 给出两侧桥台 台后土压力的合力大小和作用位置以及等代桩长。 由此, 设计师就可以利用前文的三维框架简化计算 模型, 在国内现有的桥梁设计软件( 如/ 桥梁博士0、 / M IDAS0等) 基础上, 建立三维框架模型, 进行整体 式桥梁在成桥阶段的计算。
1 已有的简化计算模型 对于钢筋混凝土或预应力混凝土的整 体式桥
梁, 施工时先吊装主梁, 然后再通过某些构造措施将 主梁和桥台浇注成整体, 进行结构体系转换。因此 计算时要分两个阶段进行: 阶段一, 桥台只承受上部 结构传递过来的竖向作用力, 不参与上部结构的共 同作用; 阶段二, 结构体系转换后, 桥台、桩基础、台 后填土、桩侧土和上部结构共同作用, 承受外荷载。
考虑到台后填土, 一般采用砂性土, 虽然对于不 同地方, 砂性土的性质存在差 异, 但由 于类型比较 少, 差异不会太大。此外, 美国是目前世界上整体式 桥台桥梁应用最广泛的国家, 美国在分析此类桥梁 受力时, 大都 采用 NCH RP 土压力 系数 曲线 来计 算。因此, 本文 简化计算中, 同样 采用 NCH RP 土 压力系数曲线来确定台后土的弹簧刚度, 但与文献 [ 6] 和文献[ 7] 不同的是, 本文还考虑了桥台位移对 主动土压力的影响, 图 5 给出了 NCH RP 的主动土 压力和被动土压力系数曲线。
( 1) 上部结构采用梁格体系模拟。 ( 2) 主梁与桥台的连接设置连接单元。当主梁 与桥台固结时, 连接单元的抗弯刚度取相邻主梁接 头单元的抗弯刚度; 当主梁与桥台铰接时, 连接单元 的抗弯刚度取相邻桥台单元抗弯刚度的 1/ 1 000。 ( 3) 桩基础与桥台的连接以及主梁与桥墩的连 接, 也可以参照上述连接单元方法处理。 三维框架简化计算的关键是, 首先要计算台后土 压力的合力大小和作用位置, 以及桩基的等代桩长。
关键词: 桥梁工程; 整体式桥台桥梁; 简化计算模型; 等代桩长; 台后土压力
整体式桥台桥梁( 简称整体式桥梁) 是无伸缩缝 桥梁中最常用的结构形式, 也是土体- 结构相互作 用体系的典型例子, 在国外已经成功使用很长一段 时间了, 以其独特的优点, 特别良好的抗震性能, 备 受各国工程师们的青睐。与有伸缩缝桥梁不同, 整 体式桥梁的桥台与主梁是浇注成一体的, 这使得在 外荷载作用下, 桥梁的上部结构、桥台、桩基、台后填 土及桩侧地基土一起承受荷载作用。由于台后土压 力和桩侧土阻力随台深、桥台变形的大小而变化, 而 桥台变形大小又与上、下部结构的相对刚度、台后土 弹簧刚度、桩侧土弹簧刚度有关, 因此整体式桥梁的 受力变得非常复杂, 增加了设计难度。为了方便整体 式桥梁的设计, 有利于该类桥梁在我国的推广应用, 本文提出了整体式桥梁在成桥阶段计算的简化模型。
摘 要: 提出了整体式桥台桥梁在成桥阶段计算的三维框架简化模型; 然后在 A N SY S 基础上进行二次开发, 编制 了计算桩基的等代桩长和台后土压力合力的专用分析程序 I ABS。利用 IA BS 程序, 结合国内现有的桥梁设 计 软件 , 即可直接进行整体式桥台桥梁的实际工程设 计, 为该类 桥梁在我 国的推 广应用 提供了 设计基 础。同时还 以 某一实际工程的整体式桥台桥梁为研究对象, 采 用 IA BS 程序 对可能影响 桩基等代桩 长和台后 土压力合 力的各 种 结构因素进行分析, 得出若干有益于该类桥梁设 计的结论。
公路 2009 年 2 月 第 2 期 文章编号: 0451- 0712( 2009) 02- 0034- 06
中图分类号: U 441
HIG HW A Y F eb1 2009 No1 2 文献标识码: A
整体式桥台桥梁的简化计算模型研究
彭大文1 , 洪锦祥1, 2
( 11 上海应用技术学院土木建筑与安全工程学院 上海市 200235; 21 福建省交通规划设计院 福州市 350004)
工况 1: 静止土压力+ 二期恒载+ 上部 结构升 温 15 e 。
工况 2: 静止土压力+ 二期恒载+ 上部 结构降 温 15 e 。
静止土压力, 在分析程序 IABS 中会自动考虑, 无需再输入。 41 1 桥台刚度
( 1) 桥台高度。 桥台高度为桥台底面至桥头搭板底面的高差。 现将台后土压力的计算值与朗金土压力作比较, 图 7( 1) 给出了土压力作用位置的比较, 图 7( 2) 给出了 工况 1 时的土压力与朗金被动土压力的比较, 图 7 ( 3) 给出了工况 2时的土压力与朗金主动土压力的 比较。
需要注意的是, 不同荷载工况作用下, 下部结构
图 6 等代桩长和台后土压力计算流程
( 包括桥台、台后填土、桩基础及桩侧地基土) 的位移 不同, 简 化计算 模型中 的等 代桩长 和台 后土 压力 的合力与作用位置也不同, 因此需要对每个控制截 面计算最 不利 荷 载作 用 下的 等 代桩 长 和 台后 土
3 2. 85 2. 85 1 774 1 781 0. 90 0. 90