庄一舟，徐 亮，黄福云，傅珠梅

(福州大学土木工程学院，福建 福州 350116)

整体式桥台桥梁抗洪性能参数分析

庄一舟，徐 亮，黄福云，傅珠梅

(福州大学土木工程学院，福建 福州 350116)

通过建立整体式桥台桥梁(永春上坂大桥)的有限元模型，将分析结果与实桥静载试验结果进行比较分析，验证模型的正确性；然后通过改变有限元模型桥的斜交角、跨数、桩基尺寸、桩侧土的类型、桥台高度等结构参数和阻水面积，定量研究不同参数变化对整体式桥台桥梁抗洪性能的影响.分析结果显示：斜交角、阻水面积、桩基尺寸及桩侧土类型的变化对桥梁抗洪性能的影响较大；整体式桥台桥梁的跨数对结构抗洪性能有一定影响，当桥梁跨数小于4时，改变跨数会较明显地影响桥梁的抗洪受力性能，而当桥梁跨数超过4时，跨数的变化对桥梁的抗洪受力性能的影响极小；另外，桥台高度的变化对整体式桥台桥梁的抗洪受力的影响也较小.

整体式桥台桥梁；抗洪性能；静载试验；有限元模型；参数分析

0 引言

水毁是公路桥梁较大的自然灾害，每年由于洪灾破坏桥梁造成的直接和间接损失惨重，整体式桥台桥梁因其优良的整体性能而在抗洪性能方面具有明显优势[1].为充分利用整体式桥台桥梁的独特优势，有效提高整体式桥台桥梁的抗洪性能，减少桥梁因洪灾受害导致危害生命安全、经济安全的事故发生，深入分析整体式桥台桥梁的抗洪性能具有重要意义，图1为桥梁在洪水作用下现场破坏形式图.

国内外对整体式桥台桥梁做了较多的研究，其中Moulton[2]发现桥台比桥墩更容易运动且更容易对桥梁结构产生破坏，建议在设计时要考虑桥台位移对桥梁结构造成的影响; Chen[3]认为当桥台不均匀沉降不小于38 mm时，应考虑其产生弯矩的影响; Kamael等[4]对整体式桥台桥梁的桩基是否适合采用预制的预应力混凝土桩进行了分析，并提出能在实际工程中应用的主梁、桥台及桩基的连接构造并参与制定了整体式桥的设计标准; 张亮等[5]以湖南省的第一座无缝桥为背景工程，分析和比较了桥台与主梁、桥台与基础分别采用铰接或固接两种不同方式时主梁受力特性，此外还研究了桥台刚度的变化对桥台受力性能的影响.从国内外研究现状可以看出大多数研究只是针对纵桥向的性能研究，而缺少对具体实桥进行完整的抗洪性能量化分析.

从桥梁自身的结构参数出发，研究参数的变化对整体式桥台桥梁抗洪性能的影响.桥梁自身的主要结构参数包括桥梁的斜度、阻水面积、跨数、桩长、桩基尺寸、桩侧土的类型、桥台高度等.通过进行整体式桥台桥梁抗洪性能参数化分析得出各参数对整体式桥台桥梁抗洪性能的影响程度，对指导今后整体桥的抗洪设计具有重要意义.

图1 桥梁的洪灾破坏形式Fig.1 Damage form of bridge under flooding

1 背景工程和FEM模型

图2 上坂大桥侧面图Fig.2 Profile of Shangban bridge

福建省永春县上坂大桥是国内目前最长的一座整体式桥台桥梁，实桥如图2所示.全桥分为4跨，全长137.1 m，桥面宽(净7.5+2×0.5)m.该桥的上部结构采用4×30 m预应力混凝土连续T梁，横断面上由4片T梁组成，每片梁梁高1.8 m，梁宽1.56 m，现浇湿接段宽0.6 m.上坂大桥的结构体系为：先简支后连续，最后与桥台浇注成整体.中间采用双柱式墩，直径1.5 m.由于墩底地质情况良好，柱式桥墩采用扩大基础.

利用MIDAS/Civil软件对上坂大桥在横向水流作用下的受力性能进行了分析.有限元模型采用梁格法进行建模, 主梁、桩基和桥墩均采用三维梁单元进行模拟，支座采用弹性连接进行模拟，墩底与基础固结，桩侧土的作用采用土弹簧来模拟.全桥共有789 个节点，1 132 个单元[1].

2 参数分析与比较

文献[1]已将数值计算结果与实桥静载试验结果进行对比和验证，校核内容边跨L/2、L/4处截面的挠度及应变.通过比较发现，两者总体规律一致且吻合较好，从而说明该有限元模型能较真实地反映该桥的受力特性，可以用于后续的分析.为了解整体式桥台桥梁的抗洪性能影响因子，以上坂大桥为原型，桥台与主梁通过滑动支座连接，支座以弹簧代替，改造成如图3所示的两跨整体式桥台桥梁进行有限元模型参数分析，其有限元模型细部节点如图4所示.主要结构参数包括斜度、阻水面积、跨数、桩长、桩基尺寸、桩侧土的类型和桥台高度等.

图3 上板大桥有限元模型Fig.3 FEM of Shangban bridge

图4 有限元模型节点细部图Fig.4 Detail of FEM

2.1 斜交角

斜交角α选取 0°、15°、30°、45°和60°五个斜度参数，建立正桥和斜桥的MIDAS/Civil空间有限元模型进行分析.分析内容有支座反力、结构位移分析和下部结构内力分析.所得结果如图5所示(正为拉，负为压).

由图5可知，斜交角增大时，背水面支座压力、支座横向剪力增大，迎水面支座拉力减小，墩顶纵、横桥向位移、桥台纵、横桥向位移增大(其中墩顶横桥向位移增势最猛)，桥墩纵向剪力、迎水面桥墩轴力有轻缓增大趋势，桥墩横向剪力几无影响.背水面桥墩轴力在斜交角小于45°时轻缓增加，当斜交角大于45°时急剧减小.桩基纵、横向剪力、迎水面桩基轴力显著增大，迎水面桩基轴力显著减小.这是因为当斜交角增大时，水流对桥跨迎水面向上的撑力减小，原来由阻水力引起的桥跨横向的弯矩则逐渐减少.

图5 不同斜交角下结构内力与位移的变化曲线Fig.5 Variation curve of inner force and deformation under different skew angle

2.2 阻水面积

桥梁受洪水水平力与桥梁迎水面的阻水面积密切相关.当阻水面积从1.2 m2变化到6.0 m2时，取纵向单位长度进行洪水力计算，所得结果如表1所示，通过改变阻水面积计算出的桥梁支座反力、墩内力、桩内力及结构位移的变化曲线如图6所示.

表1 洪水力计算结果Tab.1 Calculated results of flooding force

图6 不同阻水面积下结构内力与位移的变化曲线Fig.6 Variation curve of inner force of structure and deformation under different drag area

由图6分析可得，桥梁背水面支座、桥墩、桩基轴压力及其剪力随桥梁阻水面积的增大呈线性增大；桥梁迎水面支座、桥墩及桩基轴压力随桥梁阻水面积的增大呈线性减小.除此之外，墩顶及桥台横桥向位移也随阻水面积的增大而增大，且墩顶横向位移受影响幅度大.

2.3 跨数

桥梁跨数由2跨变化到6跨，受跨数变化影响的桥梁支座反力、墩内力、桩内力及结构位移曲线如图7所示.由图7分析可知：当跨数小于或等于4时，桥墩纵向剪力、支座横桥向剪力、背水面支座压力随着跨数的增加而增加，迎水面支座轴力和桩基纵向剪力随着跨数的增加而减少，桥台横向位移和背水面桩基轴力不受跨数影响; 当跨数大于4时，以上受力和位移不受跨数的变化而变化.这是因为当跨数较少时，整体桥两端的桥台对桥梁抗洪能力的影响较明显, 但桥台对抗洪的贡献随着跨数的增加不断减小，当跨数超过某个值时，桥台对抗洪能力的影响很小.

图7 不同跨度下结构内力与位移的变化曲线Fig.7 Variation curve of inner force of structure and deformation under different span

2.4 桩基尺寸

图8 不同相对边下结构内力与位移的变化曲线

通过上述分析发现，随着相对边长的增大，洪水力对桩基受力的影响加大，而对桥墩及支座受力的影响相对减小.原因可能为桩相对边长的增大提高了桩的刚度，从而使得整体式桥梁两端的整体式桥台对桥梁抗洪的贡献变大，中间桥墩及支座的贡献相对减小.

2.5 桩侧土的类型

据研究发现，整体式桥台桥梁为适应温度变化，桩侧最佳土类型为砂土[7].为了进一步分析桩侧土特性对桥梁结构抗洪性能的影响，现取不同类型的砂土进行整体式桥梁抗洪分析.在假定桩侧土为中密的前提下，对应不同类型的砂土，桥梁抗洪分析结果如图9所示.

图9 不同桩侧土下结构内力与位移的变化曲线Fig.9 Variation curve of inner force of structure and deformation under different soil around pile

由图9可知，不同类型的桩侧砂土对整体式桥梁的抗洪性能影响较大.桥墩及支座的受力受洪水力的影响程度由粉砂至砾砂逐渐变小，桩基受洪水力的影响逐渐变大； 墩顶及桥台位移越小，桥台的抗洪贡献越明显.这可能是因为从粉砂变至砾砂，桩侧土的刚度越来越大使得桩基的抗洪受力越来越大，因而越来越有利于整体式桥的抗洪.但桩侧土刚度的增加会阻碍桥梁纵桥向因温变而引起的变形，因此设计时应共同考虑.

2.6 桥台高度

改变桥台高度使得相对台高由0.5～2.5变化进行抗洪计算并得出桥梁支座反力、墩内力、桩内力及结构位移的变化曲线如图10所示.

图10 不同相对台高下结构内力与位移的变化曲线

结果显示，桥梁的支座反力、桥墩内力、桩基内力、桥梁结构位移随桥台高度的增加变化很少，这说明桥台高度的变化对整体式桥台桥梁抗洪性能影响很小.

3 结论

以单变量的形式改变整体式桥台桥梁自身结构参数，进而来研究此类桥梁自身结构参数对抗洪能力的影响.

1) 通过分析发现，斜交角、阻水面积、桩基尺寸及桩侧土类型的变化对桥梁抗洪性能的影响较大，桥台高度的变化对整体式桥台桥梁的抗洪受力的影响较小.

2) 设计整体式桥台桥梁时，应考虑斜交角对桥梁抗洪性能的影响.因支座受压能力一般比受拉能力强，增大斜交角有利于减少迎水面支座所受的拉力，防止因拉力过大导致支座破坏.但是斜交角的增大将导致墩顶纵、横桥向位移、桥台纵、横桥向位移的增大.尽管支座局部受到保护，但是桥梁整体性能不一定会提升，因此此项因素要综合考虑.

3) 尽量减少桥梁阻水面积有利于提高整体式桥台桥梁的抗洪性能.例如，在受洪水影响较大的河流上或因地势较低，桥下净空没法达到要求时，可以将桥梁设置成栏杆在洪水来临瞬间可以倒下的漫水桥，这样可以瞬间较大幅度地减少桥梁阻水面积，从而大大地提高桥梁的抗洪性能.

4) 当桥梁跨数小于4时，改变桥梁的跨数会一定程度地影响整体式桥台无缝桥梁的受力性能，但当桥梁跨数超过4时，桥梁跨数的变化对整体式桥台桥梁的抗洪受力性能基本没有影响.

5) 随着相对边长的增大，桩的刚度也随之变大，洪水力对桩基受力的影响加大，而对桥墩及支座受力的影响相对减小.从而使得整体式桥梁两端的整体式桥台对桥梁抗洪的贡献变大，中间桥墩及支座的贡献相对减小.

6) 不同类型的桩侧砂土对整体式桥台桥梁的抗洪性能的影响较大.桥墩及支座的受力受洪水力的影响程度由粉砂至砾砂逐渐变小，桩基受洪水力的影响变大，墩顶及桥台位移变小，桥台的抗洪贡献越来越明显.

[1] 庄一舟，徐亮，任卫岗，等.整体式无缝桥梁抗洪性能分析[J].福州大学学报(自然科学版), 2016, 44(4):472-479; 486.

[2] MOULTON L K.Observations of highway bridge movements and their effects on joints and bearing[J].Transportation Research Record, 1983(903)：86-95.

[3] CHEN Y.Important considerations, guidelines, and practical details of integral bridges[J].Journal of Engineering Technology, 1997, 14(1)：16-19.

[4] KAMEL M R, BENAK J V, TADROS M K,etal.Prestressed concrete piles in jointless bridges[J].PCI, 1996, 41(2)：56-67.

[5] 张亮, 宁夏元.设置小边跨的无缝连续梁桥设计[J].中南公路工程, 1998, 23(2):18-20.

[6] 凌治平, 易经武.基础工程[M].北京:人民交通出版社, 1997.

[7] 赵明华, 俞晓.土力学与基础工程[M].武汉:武汉理工大学出版社, 2007.

[8] 高冬光.公路桥涵设计手册:桥位设计[M].北京:人民交通出版社, 1998.

[9] 中交公路规划设计院.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范:JTG D62-2004[S].北京:人民交通出版社, 2004.

(责任编辑：洪江星)

Parametric analysis on anti-flooding performance of integral abutment bridge

ZHUANG Yizhou，XU Liang，HUANG Fuyun, FU Zhumei

(College of Civil Engineering，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian 350116，China)

A finite element model (FEM) of Shangban bridge, Yongchun county, Fujian, was established and its accuracy was verified with a good agreement by comparing FEM with static loading test on the completed bridge.Then, the anti-flooding performance of the integral abutment bridge (IAB) was parametrically studied by changing the structural parameters including bridge skew angle, number of span, pile dimension, soil type around pile and abutment height as well as water dragging area.The results show that parameters such as bridge skew angle, water dragging area, pile dimension and soil type have a significant influence on the anti-flooding performance of IAB.Variation of span number can somehow have an influence on it unless the number is less than 4.In addition, abutment height has a little influence on it.

integral abutment bridge; anti-flooding performance; static loading test; finite element model; parametric analysis

2015-08-26

庄一舟(1964-)，教授，主要从事无缝桥的研究, yizhouzhuang@qq.com

国家自然科学基金资助项目(51278126，51578161)；福建省自然科学基金资助项目(2013J01187)

10.7631/issn.1000-2243.2016.04.0497

1000-2243(2016)04-0497-07

U443.2

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