铰接式搭板在桥面跳车病害中的应用

铰接式搭板在桥面跳车病害中的应用

有很多方法可以控制桥头的坠落，而放置桥头的方法是最常见的方法之一。设置桥头搭板简单实用,其目的是将桥台与路堤衔接处突变的错台高差分散到搭板的两端,从而改善桥头跳车现象。目前,对跳车现象的防治没有进行专项设计,规范也没有具体的控制指标。桥头搭板的受力情况和普通路面板的情况不同,普通路面板可以看作弹性地基上的板,而桥头搭板有一端放在桥台上,其余的大部分放在路基上,既有简支的成分,也有放在弹性地基上的成分。因此,板底支撑的力分布是很不均匀的,尤其当脱空段比较长的时候,而板的刚度又比较大,这样远桥台端搭板下的地基要提供较大的支撑力,也就是说远桥台端搭板地基要比路面板下的路基承受更大的荷载。如果对板下地基处理不当,搭板远桥台端局部沉降,与相接路面板形成高差台阶,就会造成二次跳车。本文根据协调变形原理,采用可调节和适应桥头沉降差的“铰接式”过渡结构,消除桥头结构与路堤之间的变形差,保持桥面与路面之间的连续性和平滑性,解决长期困扰人们的桥头跳车问题,也可适当降低桥头路基加固的技术难度和施工成本。1搭板与桥台的连接普通的搭板(整体板)结构形式是一端支承在台背上,另一端支撑在路基枕梁上的小跨径板。由于路基沉降后搭板会产生纵向的滑移,必须设置锚栓。搭板长度依据设计行车速度、路堤填土高度及预计引道填土的工后沉降量大小来确定。搭板远离桥台端下沉量往往较大,会引起桥台上的板端转动。以往由于构造不够合理,有时造成台背牛腿的损坏、靠近桥台的板端裂缝或造成路面隆起等病害。为了避免上述病害的发生,需要对搭板与桥台的连接方式等进行改进。房营光教授提出了一种采用新的方式与台背相连接的铰接式搭板,搭板由台后一次搭板和二次搭板两级板组成,一次搭板板端呈圆弧形,其一端铰接在台背上,另一端与二次搭板铰接;即两块搭板之间铰接,起到协调变形的目的。该铰接式搭板的应用研究为广东省公路管理局科研计划项目,现已进行了施工图设计,等待实桥试验。其构造简图如图1所示。铰接式搭板的工作原理如下:当铰接式搭板下沉时,一次搭板的一端绕台背上的铰接点转动,另一端与二次搭板相对转动,以适应不均匀下沉,避免板端路面的隆起。原整体板远离桥台端传给地基的过大荷载现由一次搭板和二次搭板下的地基共同承受,且同时二次搭板又进一步把这种受力的不均匀性由搭板向路面板作了过渡,从而避免出现因局部沉降过大造成的二次跳车。2铰接式搭板的准备为了与普通搭板进行比较,本文计算中采用了2种搭板模型。整体板(普通搭板):长度取8m;铰接式搭板:总长取8m,其中一次搭板和二次搭板长度均为4m。板的宽度按单车道考虑,有限元模型中取为4m,板厚取为0.3m(图2)。(1)有限元单元划分搭板和地基均采用Solid45单元,搭板单元与地基单元在交接面处共用节点,不设置接触单元。钢筋混凝土搭板弹性模量E=30000MPa,泊松比μ=0.2,容重γ=25kN/m3;地基的泊松比μ=0.35,容重γ=18kN/m3,地基的长度取16m,地基厚取6m,根据《公路路基施工技术规范》(JTGF10-2006)中土质路基压实度标准,取相应地基变形模量E0=40～50MPa,考虑压实度不够的地基和软土地基,地基变形模量E0分别取10、20、30、40和50MPa。取搭板划分单元大小为50cm×50cm×30cm;地基划分单元大小为50cm×50cm×50cm。(2)耦合上缘交线处的改变地基两端横桥方向位移为0,地基底面约束所有自由度,搭板靠近桥台端对搭板下缘节点只容许纵向转动,其余位移约束,远端自由;对铰接式搭板,还有两搭板交界面处耦合上缘交线处所有节点的全部位移。根据公路桥规采用车辆荷载标准值,加载时将轮压等效为0.6m×0.2m的面荷载,即每个轮载为583.3kN/m2。考虑车辆下桥沿板中线行驶到公路,计算如下5个工况(图3):①两后轴刚好作用于一次搭板桥台端;②两后轴作用于一次搭板远端;③两后轴等距离作用于一次搭板与二次搭板;④两后轴作用于二次搭板近桥台端;⑤两后轴作用于二次搭板远桥台端。3铰接板的拉应力在工况①～⑤的作用下,分别模拟整体板和铰接板板下地基变形模量E0分别为10、20、30、40、50MPa5种共50种组合情况进行计算,得到在不同地基变形模量下,搭板顺桥方向中轴线处的板底最大拉应力σ以及板远离桥台端挠度f1值,其计算结果如表1、2所示。从表1、2可以看出,两种模型在工况①时板底应力最大,工况⑤时搭板远离桥台端(搭板与路面板交界处)挠度最大,以此作出在工况①作用下地基变形模量E0与板底最大拉应力σ的关系图(图4)以及工况⑤作用下地基变形模量E0与搭板远离桥台端挠度f1的关系图(图5)。由图4可以看出,随着地基变形模量的增大,整体板和铰接板板底拉应力均逐渐减小,铰接板的板底拉应力要小于整体板的板底拉应力;地基变形模量在10～20MPa的范围内,整体板板底拉应力减小很快,铰接板的板底拉应力要比整体板的小近30%,当地基变形模量增大到50MPa时,铰接板比整体板的拉应力只小3%。上述分析表明,对地基变形模量较小的软土地基,铰接板能有效地减小其板底拉应力;对地基变形模量较大的地基,两种板的板底拉应力基本相当。由图5可知,随着地基变形模量的增大,两板远离桥台端挠度均逐渐减小,且铰接板的挠度要小于整体板的挠度。地基变形模量在10～20MPa的范围内,随着变形模量的增大,两板远离桥台端挠度迅速减小,铰接板的挠度比整体板的小25%;地基变形模量从20MPa增大到50MPa时,曲线较为平缓,铰接板的挠度比整体板的小20%。上述分析表明,铰接板能有效减小搭板远离桥台端的挠度,特别对于地基变形模量小的软土地基,效果更为明显,从而避免了二次跳车。由图6可以看出,对于搭板顺桥向中点的挠度f2,随着地基变形模量的增大,两板顺桥向中点处挠度均逐渐减小,且铰接板的挠度要大于整体板的挠度。地基变形模量在10～20MPa的范围内,铰接板的挠度比整体板的挠度大10%左右,随着变形模量的继续增大,两种板的挠度逐渐减小且趋于接近,当变形模量增大到50MPa时,铰接板的挠度比整体板的大5%。上述分析表明,铰接板在一次搭板和二次搭板交界处的挠度要比整体板同位置的挠度大,但随着地基土的沉降,铰接处带动一次搭板和二次搭板协调变形,可避免由地基沉降带来的搭板脱空。为了对比铰接板和整体板的性能,取变形模量为E0=40MPa的标准压实地基,在工况③和工况⑤的作用下,对两种搭板进行受力分析。考虑在铰接板变形最大的工况③的作用下,搭板顺桥向中线上不同位置的挠度、板底应力值见图7、8。由图7可知:铰接板除了板中铰接位置的挠度稍大于整体板,其余位置两种板挠度基本相等,铰接处挠度并不大,故不会形成跳车;由于铰接处带动一次搭板和二次搭板协调变形,可减少由地基沉降带来的搭板脱空。从图8可以看出,在此工况的作用下,铰接板的板底顺桥向中线上拉应力明显小于整体板同位置的拉应力;在1.6～4m的范围内,铰接板板底拉应力比整体板的拉应力小30%;在4～8m的范围内,铰接板板底应力接近0,整体板板底拉应力也较小。考虑工况⑤(即汽车将要驶离搭板)的作用下,搭板顺桥向中线上不同位置的挠度、板底应力值如图9、10所示。由图9、10可知,铰接板顺桥方向中线上不同位置要比整体板同位置的挠度小20%;铰接板的板底顺桥向中线上拉应力明显小于整体板同位置的拉应力。铰接式搭板的挠度比整体板的挠度有较大幅度减小,这表明铰接式搭板消化地基沉降的作用主要通过一次搭板和二次搭板的协调变形来实现。对照分析图8和图10可以看出,在这两种工况的作用下,位置-应力曲线走势基本一致,板底拉应力在0～4m处较大,整体板4～8m处应力较小,铰接板4～8m处应力接近0。4对地基变形的影响(1)铰接式搭板远离桥台端的挠度小于整体式搭板相应位置的挠度,而板中铰接处的挠度又稍大于整体式搭板相应位置的挠度,正是由于铰接处带动一次搭板和二次搭板协调变形,可减少由地基沉降带来的桥头跳车及搭板脱空