基于中央分隔带的汽车桥墩受力分析

基于中央分隔带的汽车桥墩受力分析

1枢纽互通主线桥本文的分析示例来自大庆至广州高速公路自治区（冀豫交界处）至大明高速公路的交叉口。以穿过邢临高速公路的邢临枢纽节点桥为例。根据《大庆至广州高速公路深州至大名(冀豫界)段工程可行性研究报告》(简称《工可报告》)和国内类似高速公路交通量情况,货柜车和大货车比例较大。而货柜车和大货车车辆总质量大,为保护行驶车辆和驾驶员的安全,保护桥梁本身在使用期内的安全,也需要对桥墩进行一定的特殊设计。1.1车辆根据《工可报告》,经调查分析,本地区车型基本如表1所示。1.2荷重和荷重货车:空载(自重)为6~11t,载荷重5~11t,满载为11~22t。拖挂车:空载(自重)为15~17t,载荷重10~16t,满载为25~33t。1.3速度经观测调研,本地区高速高路货车平均车速大概在80~90km/h。1.4接触角度已经调查的国内各高速公路路段碰撞角度一般在15~20°,本研究选用20°。2横向碰撞力的计算碰撞条件是进行设计的基本条件,包括碰撞车型、碰撞车总质量、碰撞速度和碰撞角度四个因素。根据本项目的实际情况,以及参考国内外有关资料,本研究提出表2碰撞条件。根据《公路交通安全设施设计规范》的碰撞力计算公式计算得到预测的横向最大碰撞力,根据美国碰撞实验实测大型车与预测的横向碰撞力关系,取放大系数进行修正。预测的横向最大碰撞力F1为式中,m为车辆质量(kg),取24000kg;v1为车辆的碰撞速度(m/s),取13.8m/s;θ为车辆碰撞角度(°),取20°;c为车辆重心距前保险杠的距离(m),取3m;b为车辆宽度的一半(m),取1.2m;z为横向变形(m),取0;放大系数ξ取为1.65。可以计算得到横向碰撞力为:F=ξ·F1=726kN。力的作用点为距离路面1.2m高度处。3标准通用域名格式3.1汽车撞击力影响我国《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)第4.4.3条规定:“桥梁结构必要时可考虑汽车的撞击作用。汽车撞击力标准值在车辆行驶方向取1000kN,在车辆行驶垂直方向取500kN,在两个方向的撞击力不同时考虑,撞击力作用于行车道以上1.2m处,直接分布于撞击涉及的构件上。对于设有防撞设施的结构构件,可视防撞设施的防撞能力,对汽车撞击力标准值予以折减,但折减后的汽车撞击力标准值不应低于上述规定值的1/6。”3.2汽车撞击偶作作用组合根据《公路桥涵设计通用规范》,对于汽车撞击的偶然作用分项系数取1.0,并且只与永久作用标准值效应、可变作用某种代表值效应组合,与偶然作用同时出现的可变作用可根据观测资料和工程经验取用适当的代表值。汽车撞击偶然作用荷载组合见表3。考虑两种组合即垂直于行车方向和平行于行车方向,组合一:1+2+3,组合二:1+4。可以看到,规范在规定设计外荷载时,与前一节的计算结果相比是偏于安全的。因此,下面的设计与计算中均采用规范规定的设计荷载进行。4桥梁模型分析4.1单柱墩实型分析4.1.1有限元模型形式本例中,由于被交道邢临高速的中央分隔带宽度限制,且互通区内桥墩形式均采用圆柱墩,因此只能采用不大于1m直径的圆柱墩,最终中央分隔带内采用4根直径1m的桥墩。当4根桥墩的横向联系不强时,对单个墩柱进行模拟,分析其受汽车撞击力时桥墩及其桩基的变形和内力。单个墩柱的尺寸为:桥墩直径1m,墩高5.8m;桩基直径1.2m,桩长42m。采用实体单元solid45单元模拟混凝土桥墩及其基础。采用三维杆系单元link8单元模拟纵向受力主筋,桥墩及桩基内纵向钢筋布置均为均布27根Φ28的钢筋,其中桥墩钢筋伸入桩基内2m。在水平的两个坐标方向,分别每隔2m定义一个点模拟桩侧土,与桩基模型中对应的点相连。采用link11单元模拟桩侧土对桩基横向的作用力。约束条件为:桩底3个坐标方向均约束,墩顶水平的两个方向约束,用来模拟桩侧土作用的小杆件元末段三个坐标方向全部固结。根据该桥墩处的地质钻孔资料,确定土弹簧刚度随着深度的变化而得到的各值,分别赋予每一个土弹簧。建立的实体模型及其约束如图1,桥墩及桩基内钢筋布置如图2。4.1.2单元模型天台桥对桥墩划分单元,单元长度为0.1m,共划分8526个单元;对桩基划分单元,单元长度为0.3m,共划分6174个单元;对纵向钢筋划分单元,单元长度为0.5m,共划分2800个单元;土弹簧单元共42个(水平x和z方向各21个单元);全部桥墩共17542个单元,该桥墩单元模型如图3所示。桥墩与桩基接触面内的所有节点在3个自由度方向均耦合,纵向钢筋的节点与桥墩和桩基的单元相耦合,使他们能共同作用。作用在桥墩上的何载包括:根据我国的《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004),在桥墩距桩顶1.7m处施加横向的汽车撞击力1000kN,由于汽车撞击不会发生在一个点上,为了真实模拟,将该力分配到0.2m高,0.45m宽范围内的15个节点上共同施加作用,设沿X方向作用;上部恒载反力为7222.5kN,桥墩上盖梁重939.2kN,这些恒载由4个桥墩共同承担,单个墩顶反力为2040.4kN,不考虑活载的作用。图4中示出桥墩实体单元与钢筋节点耦合作用及墩顶荷载。模型中以N、m为单位。4.1.3混凝土结构单元应力分析以抗弯压强度作为标准检验桥墩及其桩基的承载力。分析该模型得到如下结果:在汽车撞击力作用下,最大位移发生在桥墩底部,最大位移值为1.11cm,沿作用力方向的位移量较小,为0.67cm;实体单元最大拉应力也发生在桥墩底部,最大拉应力4.04MPa,超过C40混凝土抗拉强度设计值1.65MPa很多,因此,受拉一侧混凝土将被拉裂;钢筋单元最大拉应力发生在桥墩撞击点的另一侧,最大拉应力为294MPa,也超过了HRB335钢筋抗拉强度设计值280MPa,钢筋进入屈服阶段。由以上计算结果可得出结论:在规范规定的汽车撞击力作用下,该桥墩的混凝土和钢筋均不能正常工作,需要进一步采取桥墩防撞措施,达到正常使用的要求。4.2表1中框架桥模型的分析4.2.1单元密度模型对独柱墩在汽车撞击力下的变形和内力分析显示,单个圆柱墩不足以抵抗汽车撞击力的作用,因此,加强桥墩间的横梁联系,使4个桥墩形成框架体系,计算该桥墩的内力并进行配筋,检验是否满足承载能力极限状态下的受力要求。桥墩形式及各构件尺寸如图5所示。采用杆系单元beam188模拟混凝土桥墩、盖梁、系梁及基础,共有5种截面形式,桥墩和墩系梁单元长度约为1m,盖梁和桩基单元长度约为2m,共定义128个节点,130个单元。同样采用link11单元模拟桩侧土对桩基横向的作用力。在桩基水平的两个坐标方向,分别每隔2m定义一个点模拟桩侧土,与桩基模型中对应的点相连。定义模型的约束条件为:桩底3个坐标方向均约束,墩顶水平的两个方向约束,用来模拟桩侧土作用的小杆件元末段三个坐标方向全部固结。根据该桥墩处的地质钻孔资料,确定土弹簧刚度随着深度的变化而得到的各值,分别赋予每一个土弹簧。根据我国的《公路桥涵设计通用规范》,桥墩上的汽车撞击力分别作用于两个垂直的方向,因此,建立两个模型分别模拟汽车撞击力在车辆行驶方向和车辆行驶垂直方向的荷载:模型1在左起第一个墩柱距桩顶1.7m处施加纵桥向的汽车撞击力1000kN(Z轴正方向);模型2在左起第一个墩柱距桩顶1.7m处施加横桥向的汽车撞击力500kN(X轴正方向)。作用在桥墩上的力还包括上部恒载反力为7222.5kN,这些恒载由盖梁上各节点共同承担,不考虑活载的作用。4.2.2中央分隔带内桥墩抗撞击能力验算分析模型1和模型2得到如下结果:在汽车撞击力作用下,模型1最大位移发生在撞击力作用点,指向Z轴正方向,为4.8mm;桥墩最大弯矩值发生在左起第四个墩柱与盖梁连接处,其值为131.96kN·m,该点轴向压力为1848.4kN;汽车撞击力作用点的弯矩值也较大,为112.12kN·m,该点轴向压力为1946.5kN。模型2最大位移发生在撞击力作用点,指向X轴正方向,为6.2mm;桥墩最大弯矩值发生在被撞墩柱与盖梁连接处,其值为384.62kN·m,该点轴向压力为1931.7kN;汽车撞击力作用点的弯矩值也较大,为315.15kN·m,该点轴向压力为2013.8kN。对以上断面进行正截面配筋验算,采用18根Φ22的钢筋均布,其轴压力和弯矩的抗力均能满足受力需要。由以上计算结果可得出结论:中央分隔带内桥墩采用框架形式,在汽车撞击力作用下,桥墩只需要较少的配筋就能满足受力要求,因此,框架形式的桥墩能够有效的提高桥墩抗撞击的能力;并且,桥墩采用框架形式对改善纵桥向汽车撞击力产生的内力的影响比横桥向撞击力产生的影响大。可见,在我国现行规范规定的汽车撞击力作用下,直径1m的框架式桥墩在通常的配筋情