基于中央分隔帶的汽車橋墩受力分析

基于中央分隔帶的汽車橋墩受力分析

1樞紐互通主線橋本文的分析示例來自大慶至廣州高速公路自治區(qū)（冀豫交界處）至大明高速公路的交叉口。以穿過邢臨高速公路的邢臨樞紐節(jié)點(diǎn)橋為例。根據(jù)《大慶至廣州高速公路深州至大名(冀豫界)段工程可行性研究報告》(簡稱《工可報告》)和國內(nèi)類似高速公路交通量情況,貨柜車和大貨車比例較大。而貨柜車和大貨車車輛總質(zhì)量大,為保護(hù)行駛車輛和駕駛員的安全,保護(hù)橋梁本身在使用期內(nèi)的安全,也需要對橋墩進(jìn)行一定的特殊設(shè)計。1.1車輛根據(jù)《工可報告》,經(jīng)調(diào)查分析,本地區(qū)車型基本如表1所示。1.2荷重和荷重貨車:空載(自重)為6~11t,載荷重5~11t,滿載為11~22t。拖掛車:空載(自重)為15~17t,載荷重10~16t,滿載為25~33t。1.3速度經(jīng)觀測調(diào)研,本地區(qū)高速高路貨車平均車速大概在80~90km/h。1.4接觸角度已經(jīng)調(diào)查的國內(nèi)各高速公路路段碰撞角度一般在15~20°,本研究選用20°。2橫向碰撞力的計算碰撞條件是進(jìn)行設(shè)計的基本條件,包括碰撞車型、碰撞車總質(zhì)量、碰撞速度和碰撞角度四個因素。根據(jù)本項目的實際情況,以及參考國內(nèi)外有關(guān)資料,本研究提出表2碰撞條件。根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》的碰撞力計算公式計算得到預(yù)測的橫向最大碰撞力,根據(jù)美國碰撞實驗實測大型車與預(yù)測的橫向碰撞力關(guān)系,取放大系數(shù)進(jìn)行修正。預(yù)測的橫向最大碰撞力F1為式中,m為車輛質(zhì)量(kg),取24000kg;v1為車輛的碰撞速度(m/s),取13.8m/s;θ為車輛碰撞角度(°),取20°;c為車輛重心距前保險杠的距離(m),取3m;b為車輛寬度的一半(m),取1.2m;z為橫向變形(m),取0;放大系數(shù)ξ取為1.65?？梢杂嬎愕玫綑M向碰撞力為:F=ξ·F1=726kN。力的作用點(diǎn)為距離路面1.2m高度處。3標(biāo)準(zhǔn)通用域名格式3.1汽車撞擊力影響我國《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTGD60-2004)第4.4.3條規(guī)定:“橋梁結(jié)構(gòu)必要時可考慮汽車的撞擊作用。汽車撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值在車輛行駛方向取1000kN,在車輛行駛垂直方向取500kN,在兩個方向的撞擊力不同時考慮,撞擊力作用于行車道以上1.2m處,直接分布于撞擊涉及的構(gòu)件上。對于設(shè)有防撞設(shè)施的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,可視防撞設(shè)施的防撞能力,對汽車撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值予以折減,但折減后的汽車撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值不應(yīng)低于上述規(guī)定值的1/6?！?.2汽車撞擊偶作作用組合根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》,對于汽車撞擊的偶然作用分項系數(shù)取1.0,并且只與永久作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)、可變作用某種代表值效應(yīng)組合,與偶然作用同時出現(xiàn)的可變作用可根據(jù)觀測資料和工程經(jīng)驗取用適當(dāng)?shù)拇碇?。汽車撞擊偶然作用荷載組合見表3。考慮兩種組合即垂直于行車方向和平行于行車方向,組合一:1+2+3,組合二:1+4?？梢钥吹?規(guī)范在規(guī)定設(shè)計外荷載時,與前一節(jié)的計算結(jié)果相比是偏于安全的。因此,下面的設(shè)計與計算中均采用規(guī)范規(guī)定的設(shè)計荷載進(jìn)行。4橋梁模型分析4.1單柱墩實型分析4.1.1有限元模型形式本例中,由于被交道邢臨高速的中央分隔帶寬度限制,且互通區(qū)內(nèi)橋墩形式均采用圓柱墩,因此只能采用不大于1m直徑的圓柱墩,最終中央分隔帶內(nèi)采用4根直徑1m的橋墩。當(dāng)4根橋墩的橫向聯(lián)系不強(qiáng)時,對單個墩柱進(jìn)行模擬,分析其受汽車撞擊力時橋墩及其樁基的變形和內(nèi)力。單個墩柱的尺寸為:橋墩直徑1m,墩高5.8m;樁基直徑1.2m,樁長42m。采用實體單元solid45單元模擬混凝土橋墩及其基礎(chǔ)。采用三維桿系單元link8單元模擬縱向受力主筋,橋墩及樁基內(nèi)縱向鋼筋布置均為均布27根Φ28的鋼筋,其中橋墩鋼筋伸入樁基內(nèi)2m。在水平的兩個坐標(biāo)方向,分別每隔2m定義一個點(diǎn)模擬樁側(cè)土,與樁基模型中對應(yīng)的點(diǎn)相連。采用link11單元模擬樁側(cè)土對樁基橫向的作用力。約束條件為:樁底3個坐標(biāo)方向均約束,墩頂水平的兩個方向約束,用來模擬樁側(cè)土作用的小桿件元末段三個坐標(biāo)方向全部固結(jié)。根據(jù)該橋墩處的地質(zhì)鉆孔資料,確定土彈簧剛度隨著深度的變化而得到的各值,分別賦予每一個土彈簧。建立的實體模型及其約束如圖1,橋墩及樁基內(nèi)鋼筋布置如圖2。4.1.2單元模型天臺橋?qū)蚨談澐謫卧?單元長度為0.1m,共劃分8526個單元;對樁基劃分單元,單元長度為0.3m,共劃分6174個單元;對縱向鋼筋劃分單元,單元長度為0.5m,共劃分2800個單元;土彈簧單元共42個(水平x和z方向各21個單元);全部橋墩共17542個單元,該橋墩單元模型如圖3所示。橋墩與樁基接觸面內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)在3個自由度方向均耦合,縱向鋼筋的節(jié)點(diǎn)與橋墩和樁基的單元相耦合,使他們能共同作用。作用在橋墩上的何載包括:根據(jù)我國的《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTGD60-2004),在橋墩距樁頂1.7m處施加橫向的汽車撞擊力1000kN,由于汽車撞擊不會發(fā)生在一個點(diǎn)上,為了真實模擬,將該力分配到0.2m高,0.45m寬范圍內(nèi)的15個節(jié)點(diǎn)上共同施加作用,設(shè)沿X方向作用;上部恒載反力為7222.5kN,橋墩上蓋梁重939.2kN,這些恒載由4個橋墩共同承擔(dān),單個墩頂反力為2040.4kN,不考慮活載的作用。圖4中示出橋墩實體單元與鋼筋節(jié)點(diǎn)耦合作用及墩頂荷載。模型中以N、m為單位。4.1.3混凝土結(jié)構(gòu)單元應(yīng)力分析以抗彎壓強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)檢驗橋墩及其樁基的承載力。分析該模型得到如下結(jié)果:在汽車撞擊力作用下,最大位移發(fā)生在橋墩底部,最大位移值為1.11cm,沿作用力方向的位移量較小,為0.67cm;實體單元最大拉應(yīng)力也發(fā)生在橋墩底部,最大拉應(yīng)力4.04MPa,超過C40混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值1.65MPa很多,因此,受拉一側(cè)混凝土將被拉裂;鋼筋單元最大拉應(yīng)力發(fā)生在橋墩撞擊點(diǎn)的另一側(cè),最大拉應(yīng)力為294MPa,也超過了HRB335鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值280MPa,鋼筋進(jìn)入屈服階段。由以上計算結(jié)果可得出結(jié)論:在規(guī)范規(guī)定的汽車撞擊力作用下,該橋墩的混凝土和鋼筋均不能正常工作,需要進(jìn)一步采取橋墩防撞措施,達(dá)到正常使用的要求。4.2表1中框架橋模型的分析4.2.1單元密度模型對獨(dú)柱墩在汽車撞擊力下的變形和內(nèi)力分析顯示,單個圓柱墩不足以抵抗汽車撞擊力的作用,因此,加強(qiáng)橋墩間的橫梁聯(lián)系,使4個橋墩形成框架體系,計算該橋墩的內(nèi)力并進(jìn)行配筋,檢驗是否滿足承載能力極限狀態(tài)下的受力要求。橋墩形式及各構(gòu)件尺寸如圖5所示。采用桿系單元beam188模擬混凝土橋墩、蓋梁、系梁及基礎(chǔ),共有5種截面形式,橋墩和墩系梁單元長度約為1m,蓋梁和樁基單元長度約為2m,共定義128個節(jié)點(diǎn),130個單元。同樣采用link11單元模擬樁側(cè)土對樁基橫向的作用力。在樁基水平的兩個坐標(biāo)方向,分別每隔2m定義一個點(diǎn)模擬樁側(cè)土,與樁基模型中對應(yīng)的點(diǎn)相連。定義模型的約束條件為:樁底3個坐標(biāo)方向均約束,墩頂水平的兩個方向約束,用來模擬樁側(cè)土作用的小桿件元末段三個坐標(biāo)方向全部固結(jié)。根據(jù)該橋墩處的地質(zhì)鉆孔資料,確定土彈簧剛度隨著深度的變化而得到的各值,分別賦予每一個土彈簧。根據(jù)我國的《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》,橋墩上的汽車撞擊力分別作用于兩個垂直的方向,因此,建立兩個模型分別模擬汽車撞擊力在車輛行駛方向和車輛行駛垂直方向的荷載:模型1在左起第一個墩柱距樁頂1.7m處施加縱橋向的汽車撞擊力1000kN(Z軸正方向);模型2在左起第一個墩柱距樁頂1.7m處施加橫橋向的汽車撞擊力500kN(X軸正方向)。作用在橋墩上的力還包括上部恒載反力為7222.5kN,這些恒載由蓋梁上各節(jié)點(diǎn)共同承擔(dān),不考慮活載的作用。4.2.2中央分隔帶內(nèi)橋墩抗撞擊能力驗算分析模型1和模型2得到如下結(jié)果:在汽車撞擊力作用下,模型1最大位移發(fā)生在撞擊力作用點(diǎn),指向Z軸正方向,為4.8mm;橋墩最大彎矩值發(fā)生在左起第四個墩柱與蓋梁連接處,其值為131.96kN·m,該點(diǎn)軸向壓力為1848.4kN;汽車撞擊力作用點(diǎn)的彎矩值也較大,為112.12kN·m,該點(diǎn)軸向壓力為1946.5kN。模型2最大位移發(fā)生在撞擊力作用點(diǎn),指向X軸正方向,為6.2mm;橋墩最大彎矩值發(fā)生在被撞墩柱與蓋梁連接處,其值為384.62kN·m,該點(diǎn)軸向壓力為1931.7kN;汽車撞擊力作用點(diǎn)的彎矩值也較大,為315.15kN·m,該點(diǎn)軸向壓力為2013.8kN。對以上斷面進(jìn)行正截面配筋驗算,采用18根Φ22的鋼筋均布,其軸壓力和彎矩的抗力均能滿足受力需要。由以上計算結(jié)果可得出結(jié)論:中央分隔帶內(nèi)橋墩采用框架形式,在汽車撞擊力作用下,橋墩只需要較少的配筋就能滿足受力要求,因此,框架形式的橋墩能夠有效的提高橋墩抗撞擊的能力;并且,橋墩采用框架形式對改善縱橋向汽車撞擊力產(chǎn)生的內(nèi)力的影響比橫橋向撞擊力產(chǎn)生的影響大?？梢?在我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的汽車撞擊力作用下,直徑1m的框架式橋墩在通常的配筋情