整浇装配式桥台设计方案及有限元分析

1、整浇装配式桥台设计方案及有限元分析    整浇装配式桥台设计方案及有限元分析龙炳煌，何栋*作者简介：龙炳煌，（1955-），男，武汉理工大学教授，国家一级注册结构工程师，国家司法鉴定人，主要从事建筑抗震减震研究. E-mail:  2006 年起，美国爱荷华州州立大学桥梁工程中心，受爱荷华州交通运输部门委托，对布恩县（Boone county ）、麦迪逊县（Madison county）以及黑鹰县45 （Black Hawk county）等三个县的装配式桥台进行了实验室和现场测试 10 11 12。国内采用装配式桥墩，是从20 世纪90 年代

2、开始发展起来的。最早采用预制承台和预制墩身的工程，是1994 年4 月开工的新奥氹大桥13，其承台为预制空腔挂箱，通过浇注混凝土使承台与桩基连为整体。但对于装配式桥台结构，尚未见文献报道。50 本文提出一种整浇装配式桥台设计方案。这种桥台可以在工厂生产，现场拼装，具有施工速度快、环境污染小的优点。本文运用设计规范对这种桥台进行设计，并用ANSYS 对其进行有限元分析，了解这种桥台的受力状况，为这种桥台的设计提供参考依据。1 整浇装配式桥台设计方案这种装配式桥台，由承台、台身、翼墙台身等三种构件组成。承台为箱型构件，箱型承55 台预留有孔洞，通过后浇混凝土，使承台与桩和台身及翼墙台身连接成整体。

3、按顶板预留孔洞形状不同分为两种，编号为CT1 和CT2。承台顶板在预留孔洞处钢筋不截断。在承台顶板和底板中，沿横桥向布置有预应力钢筋，通过张拉预应力钢筋，使四个承台连接成整体。台身为工字形截面构件，编号为QT1，如图1 所示，有4 个台身构件。翼墙台身为翼墙与台身的组合构件，编号为QT2，如图2 所示，有2 个翼墙台身构件。台身、翼墙台身的纵60 向钢筋伸入承台内0.75m。在台身工字形截面翼缘中有后浇混凝土。桥台的施工顺序为：打桩，浇筑混凝土垫层，安装承台，安装台身和台身翼墙、在箱型承台内沿横桥向张拉预应力筋，浇筑箱型承台内和台身内的混凝土。桥台施工如图4 所示。QT1 侧立面图 QT1 平

4、面图 QT2 侧立面图 QT2 平面图图1 台身构件 图2 翼墙台身构件图3 承台平面布置图 图4 台身、翼墙台身施工示意图 图5 整浇装配式桥台轴测图 图6 桥台顺桥向剖面图70 2 桥台的设计计算2.1 设计资料依据文献14 15 16对桥台进行设计计算。桥梁的设计安全等级为二级，结构重要性系数0=1.0。台后填土采用中粗砂，填土内摩擦角=38°，填土重度=19kN/m3。预制构件采用C50 混凝土, HRB335 钢筋。箱型承台内和台身内的后浇混凝土采用C50。采用21 根预应力75 筋作为箱型承台横桥向受力筋。其中顶板布置8 根预应力筋，底板布置13 根预应力筋。每

5、根为4 股1×7 的钢绞线，每股直径为15.2mm，Ap=140mm2。预留孔洞采用波纹管。张拉控制应力con=0.7×1860=1302MPa ，有效应力pe =1050.857MPa，采用OLM15B-4 锚具。2.2 台身控制截面内力台身为偏心受压构件，除了承受上部结构传至台身的竖向荷载外，还要承受台后土侧压80 力，支座摩阻力，汽车制动力，地震土压力等水平荷载。对台身构件进行设计时只需作顺桥向的验算，根据构件的特点选取四个控制截面，如图8 所示。依据文献17，需要考虑如下三种荷载工况。工况一：仅在台后填土破坏棱体上布置车辆荷载。工况二：仅在桥跨结构上布置车辆荷载。工

6、况三：台后填土破坏棱体上以及桥跨结构上同时布置车辆荷载。控制截面2-2、4-4 在三种工况下的内力组合设计值如表1 所示。85表1 台身内力组合设计值控制截面 工况 轴力（kN） 弯矩（kN.m）工况一 252.2832-2 工况二 -74.824工况三918.686417.92工况一 6360.31 33344-4 工况二 8703.623 3154.326工况三 7726.43 4249.655注：弯矩以顺桥向转向桥墩一侧为正。2.3 台身截面设计90 先求构件上的内力，依据内力进行截面设计。 2-2 截面设计选取工况三：N= 918.686kN ，M= 417.92kN.m；分

7、配到单个构件上的内力为:N= 153.114kN95 M= 69.65kN.m069.65 0.455153.11e M mN= = =0 h=0.50.05=0.45m台身按对称配筋，假定为大偏心受压则：0 d N ' 'cd sd s sd s cd f bx+ f A f A = f bx（1）0 d cd N =f bx， 153114 2.7718.4 3000dcdx N mmf b= = =×1000 / 2.77 / 450 0.006 0.56 b =x h = = <= ，符合大偏心假定。x 2 ' 100 sa= mm， 受压钢筋达

8、不到抗压强度设计值， 令2' 100 s x=a= mm则'0 21 '0153114 257.73 352.33( ) 280 (450 50)dssd sA N e mmf h a ×= = = × 依据文献16 9.1.12 纵向钢筋配筋率不应小0.5%，'3000 500 0.5% 37502s s 2 105 A =A = × × = mm，选用21 16，实配面积A= 4223mm2 。4-4 截面设计选取工况三： N7726.43kN，M =4249.655 kN.m分配到单个构件上的内力为:N429.246

9、1kN110 M =236.092kN.m0e MN= =236.092/429.2461=0.55m0 h =1.6-0.5=1.55m台身按对称配筋，假定为大偏心受压则：' ' ' 'cd f sd s sd s cd f f b x+f A f A = f b x'429246 7.7818.4 3000dcd fx N mmf b= = =× 'f 115 h ，跟假定符合，属于大偏心受压x 2 ' 100 sa= mm，受压钢筋未达到抗压强度设计值，取2 ' 100 s x=a= mm，'0 21 &#

10、39;0429246 197.8 202.154( ) 280 (1550 50)dssd sA N e mmf h a ×= = = × 按文献16 9.1.12 配筋率不应小于0.5%， ' (3000 500 2 600 500) 0.5% 8250 2s s 2 A A mm× × + ×= = × = ，选用42 16，实配面积A= 8446mm2 。 120 2.4 桥台控制截面应力按材料力学计算时将台身看成一个整体，按悬臂构件进行计算。计算结果如表2 所示。2-2 截面：Ix=0.1875m4，A=9m

11、2， y=0.25m4-4 截面：Ix=6.144m4， A=28.8m2，y=0.8m125 表2 桥台控制截面应力控制截面 工况 max（MPa） min（MPa）工况一 0.438 0.2342-2 工况二 0.201 0.002工况三 0.659 0.455工况一 0.654 0.213工况二 0.713 0.109台身4-4工况三 0.822 0.2853 有限元计算分析本文采用ANSYS 对承台及桥台进行分析17，采用solid65 单元模拟普通钢筋混凝土，钢筋采用体积配筋率，采用link8 单元来模拟承台的预应力钢筋。130 3.1 承台施工阶段计算箱型承台施工阶段只承受自重以及

12、上部台身构件的自重，对此阶段进行计算分析时，建立实体模型，将台身构件的自重代换为承台榫口处的线荷载，对承台施加约束时将圆桩代换为方桩，对方桩区域施加约束，有限元模型如图7 所135 示；施工阶段承台的计算结果如图8 所示。承台Y 向位移云图 承台Y 向应力云图 顶板截面应力云图图8 施工阶段计算结果承台的最大竖向位移发生在顶板的跨中处， 其值大小为4.05mm。承台顶板140 截面应力值为-4.2MPa1.89MPa，最大拉应力发生顶板的四边，其值为1.89MPa，超过了混凝土强度设计值。此外，箱体局部应力过大，箱型承台方案需要进行改进。图7 承台的有限元模型 3.2 桥台使用阶段计

13、算使用阶段桥台除了承受构件自重外，还要受到上部汽车荷载以及台后土压力的作用，本文建立三维实体模型对145 其进行计算分析，对承台施加约束时同样将圆桩代换为方桩， 对方桩区域施加约束， 有限元模型如图9 所示。使用阶段桥台在三种工况下的计算结果如图10图14 所示。150工况一 工况二 工况三图10 桥台x（顺桥向）位移云图工况一 工况二 工况三图11 桥台横桥向中部Y 向应力云图工况一 工况二 工况三图12 桥台4-4 截面应力云图工况一 工况二 工况三图13 桥台2-2 截面应力云图图9 桥台的有限元模型 工况一 工况二 工况三图14 承台预应力钢筋应力云图155 在三种荷载工况作

14、用下，桥台X 向（顺桥向）最大位移发生在台身顶部和横桥向的中部，如图10 所示，其中工况三的最大，其值为0.261mm。Y 向（竖向）最大位移发生在台身的上部结构支座处，其中工况二的最大，其值为0.23mm。在三种工况荷载作用下，钢绞线应力均为为10201050 MPa，应力差为30MPa，钢绞线应力平均值1035MPa，与有效预应力相差15MPa。160 4-4 截面的控制应力发生在工况二，最大压应力为-2.01MPa,最大拉应力为0.737 MPa，3-3 截面的控制应力发生在工况二，最大压应力为-6.26MPa,最大拉应力为0.942 MPa，2-2 截面的控制应力发生在工况二，最大压应

15、力为-0.42MPa,最大拉应力为0.967 MPa，1-1 截面的控制应力发生在工况二，最大压应力为-0.199MPa,最大拉应力为0.057 MPa。在上述三种荷载工况作用下承台预应力锚固区的混凝土最大压应力为-26.2MPa，最大拉165 应力均为7.2MPa ，超过了混凝土强度设计值。根据4-4 截面应力云图，提取边缘的应力进行比，结果如表3 所示。表3 桥台4-4 截面应力 max（MPa） min（MPa）控制截面 工况材料力学ANSYS ANSYS/材料力学材料力学ANSYS ANSYS/材料力学工况一 0.654 0.78 1.2 0.213 0.197 0.934-4 工况二 0.713 0.79 1.1 0.109 0.121 1.1工况三 0.822 0.73 0.9 0.285 0.38 1.3170 4 结论通过ANSYS 分析，得出以下主要结论：（1）在施工荷载作用下，承台的最大位移发生在承台顶板的跨中，其值大小为4.05mm，最大拉应力发生在顶板周边，其值为1.89MPa，超过了混凝土强度设计值。此外，箱体局部拉应力达到11.2MPa，承台的局部构造需要改进，如加腋等措施。175 （2）在三种荷载工况作用