升温作用下整体桥台台后土压力计算方法的探讨

对在升温作用下,整体式桥台桥梁台后土压力的计算方法进行研究。分别采用Broms法、m法及p-y曲线法计算桥台背墙后填土的水平抗力系数;采用m法及p-y曲线法计算台柱土的水平抗力系数和台桩、墩桩侧土的水平抗力系数;采用TDV软件模拟土对桩端的约束作用。通过对不同方法计算的台后土压力的对比分析,得知:在计算升温引起的整体式桥台桥梁台后土压力时,桥台背墙及台柱土的水平抗力系数计算采用m法是不适合的;桥台背墙后填土的水平抗力系数可采用Broms法计算;土对台桩及墩桩侧的水平抗力系数按p-y曲线来考虑是适合的。

整体式桥梁在温度荷载作用下的台后土压力研究

为了研究温度荷载作用下整体式桥梁台后土压力的变化和分布规律,依托富裕工业园区跨线桥(4×16m整体式桥梁)工程实例,采用ABAQUS软件建立了整体式桥梁的三维有限元模型,进行了施工及运营过程的台后土压力试验,并对计算土压力与实测土压力进行对比分析。结果表明:整体式桥梁在施工阶段处于简支状态时,实测的土压力大于主动土压力计算值,与静止土压力计算值接近;在运营阶段,降温温差作用时,台后土压力接近主动土压力;升温温差作用时,台后土压力沿桥台高度方向呈非线性分布,采用非线性p-y曲线法计算台后土压力分布规律与实测土压力的分布规律一致。

温度变化下整体桥台后土压力实验研究

依托G111线富裕工业园跨线桥工程,在该整体式桥台桥梁建成后,对全年台后土压力变化情况进行了监控,绘制了台后土压力的静态分布图及随着季节性温度变化的动态分布图,明确了整体桥台后土的分布规律:整体桥台后土压力数值随填土深度的增加而增加;存在桥台位移的临界值,使土压力分布由线性转变为非线性。确定了主梁温度变形极值时对应的台后土压力极值,为寒区整体式桥台设计荷载取值提供了理论依据。

往复位移作用下整体桥台后土压力计算方法

整体桥具有使用寿命长、施工方便、造价及养护费用低等特点,目前在国内外得到了广泛应用与推广,但是,其台后土压力计算方法还缺乏深入研究。为此,以永春上坂大桥整体桥为设计背景,开展了整体式桥台-H形钢桩-土相互作用的低周往复荷载拟静力试验研究,主要研究了台后土压力大小及其衰减规律,并给出了桥台内力和台后土压力计算方法。研究结果表明:台后土压力与正向加载位移成非线性关系,且随着正向加载位移的增大而增大;台后土压力沿深度方向主要呈"三角形"与"梯形"分布,同时,台背处土压力合力作用点基本位于2/3桥台高度的埋深位置处;台后土压力沿纵桥向成指数衰减,且在台后2倍的桥台高度处基本衰减为0,即温度作用下整体桥桥台的纵向移动仅对台后2倍桥台高度范围内的土体有影响。现有研究及规范给出的方法不适用于整体桥的台后土压力计算,而所提出的台后土压力计算方法与试验、实桥监测结果较为吻合,其可为整体桥的设计及规范的制定提供参考与借鉴。

全无缝桥梁整体式桥台台后主动土压力计算方法研究

中国修建了大量的中小桥梁,桥梁伸缩装置是这些传统中小桥梁中必不可少的一种局部构件。无缝桥梁作为一种新型桥梁结构形式解决了伸缩缝造成的许多问题,但无缝桥梁的设计尚无具体规范,计算分析中有一些值得探讨的内容。笔者通过对整体式桥台台后主动土压力计算方法的比较,找出集中力等效主动土压力和主动土压力分布力直接布置在桥台台背上这计算两种方法各自的优缺点,结果表明:计算弯矩时,采用等效集中力计算是偏于安全的;计算剪力时,直接采用主动土压力分布力计算是偏于安全的。

水平往复大位移作用下整体桥台后土压力计算方法

为研究强震和温度作用下,整体桥台产生的水平往复大位移对桥台与台后填土相互作用的影响,进行了整体桥台-H形钢桩-土相互作用拟静力试验,并基于试验结果研究了大位移作用下整体桥台后土压力的分布规律;根据台后土压力分布,提出了台后土压力合力作用点位置与加载位移之间的关系式,并在现有研究的基础上给出了改进的整体桥台后土压力计算方法。研究结果表明:正向加载(桥台挤压台后土)时,台后各处土压力随加载位移的增加先增大后减小;台背处和台后20%桥台高度处土压力受桥台位移的影响更大,沿深度方向呈梯形分布;台背处土压力分布中,由于台底H形钢桩的约束,最大土压力位于入土深度0.875 m处,台底位置的土压力则略有减小;台后60%桥台高度和1.4倍桥台高度处土压力受桥台位移影响较小,沿深度方向呈三角形分布;负向加载(桥台背离台后土)时,台后土压力沿深度方向呈三角形分布,且台后各处土压力与加载位移不相关,其值相对于正向加载时可忽略;水平往复大位移作用下,整体桥台后土会产生脱空现象,脱空范围超过桥台高度的37.5%;台后土压力沿纵桥向呈指数型衰减,且相比小位移作用下衰减得更快;台后土压力合力作用点位置随加载位移的增大而逐渐降低,且台后土压力系数与加载位移具有明显的非线性关系,呈现先增大后减小的规律;现有土压力计算方法未考虑桥台位移的影响或认为台后土压力在桥台发生小位移时随桥台位移的增大而增大,发生大位移时则基本不变;提出的土压力拟合公式的判定系数为0.92,计算值与试验值的相对误差为6.2%,可作为现有土压力计算方法的有益补充。

整体桥台后大不平衡土压力计算方法研究

为研究车辆重载等引起的台后大不平衡土压力的变化,通过开展有、无考虑台后大不平衡土压力影响的整体式桥台-H型钢桩-土相互作用拟静力试验研究,分析对比台后大不平衡土压力大小、分布规律及其计算方法。结果表明:在设置的试验条件下,随着位移荷载的增加,台后填土作用下整体式桥台-H型钢桩-土相互作用模型(AHP模型)台后土压力由三角形分布变为梯形分布;而台后大不平衡土压力下整体式桥台-H型钢桩-土相互作用模型(LAHP模型)台后土压力呈梯形分布。LAHP模型的台后土压力系数K整体上大于AHP模型。现有的台后土压力系数K计算方法不适用于整体桥。当δ/h=0.016时,AHP和LAHP模型的台后土压力系数分别为12.34和16.16,远大于JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》中主动土压力系数(K_(ac)=0.24)和静止土压力系数(K_(0)=0.43),也远大于现有的计算方法(Coulomb被动土压力系数K_(pC)=9.96和Rainkine被动土压力系数K_(pR)=3.69)。本研究可为整体桥设计计算和相关规范的制定提供借鉴和参考。

基于温度变形效应的整体式桥台-H型钢桩-土相互作用拟静力试验研究

由于环境温度使主梁发生胀缩变形,导致整体桥桥台水平往复运动及桥台-土、桩基-土的相互作用。本文以某整体桥为工程背景,开展基于昼夜温度、季节性温度变形效应的整体式桥台-H型钢桩-土体系的低周往复位移荷载拟静力试验,分析试件的滞回性能、骨架曲线、桥台转角等变化规律。试验结果表明:试件全年滞回曲线可视为季节性温度作用、昼夜温度作用的滞回曲线叠加。从季节性温度作用来看,受春夏季升温影响,MTS水平力先快速增大,随后持续升温,水平力增速放缓;受夏秋季、秋冬季连续降温的影响,水平力先急剧减小,而随后持续降温,水平力降低减缓;受冬春季升温影响,水平力先急剧增加后增速放缓,其增速与第一次春夏季升温时相似,但由于台后土发生累积效应,产生的水平力更大。从昼夜温度作用来看,当环境温度较高时(夏季),夜晚降温对体系相互作用的影响大于白天升温时的影响;当环境温度较低时(冬季),白天升温对体系相互作用的影响大于夜晚降温时的影响。从骨架曲线来看,受中长期环境温度影响,整体式桥台-桩-土体系相互作用中存在由非线性向线性不断转化的过程。在加载初期,桥台转角与加载位移变化规律基本一致,随着环境温度变化,两者逐渐偏离,特别是在次年的第一季度,两者已产生较为明显的正方向偏移。

框架式桥台在工程应用中的分析研究

市政桥梁易受地形、地质及路线交叉等影响,传统轻型桥台、重力式U形桥台均难以达到设计要求。以具体项目为依托,结合框架式桥台的构造及结构计算分析,为工程设计提供参考。

基于中长期环境温度变形效应的半整体桥台-土相互作用试验

为研究环境温度作用对半整体桥台与台后土之间相互作用机理的影响,以简化半整体桥台-土结构模型为研究对象,进行了基于位移的环境温度作用下半整体桥台-土相互作用拟静力试验。研究结果表明:半整体桥台的滞回曲线随季节性温度变化而变化,季节性升温和降温转化段对桥台-土相互作用的影响非常显著,而持续增加或减小段对其影响较小;一年中的第1个升温段对桥台-土相互作用影响更大,随着几个季度的温度加载,台后土逐渐被压实,土压力变化趋于稳定,增加趋势减缓;不同季节昼夜温度变化对桥台-土相互作用的影响不同,夏季白天升温对桥台-土相互作用的影响小,而夜晚降温的影响大,冬季则反之;随着季节性温度的逐渐升高,桥台-土相互作用滞回曲线由凹形向凸形发展,呈现出更加饱满的梭形;中长期环境温度对台-土相互作用影响较大,经过一整年的温度作用后,台后土压力显著增大,产生棘轮效应;桥台转角与加载位移存在较大相关性,随着循环次序的增加,桥台转角先逐渐增大后趋于稳定;在中长期环境温度作用下,半整体桥台逐渐表现出往台后方向偏转的趋势;昼夜温度变化对桥台转角的影响不可忽视,在相同加载位移下,考虑季节性温度和昼夜温度叠加作用情况的桥台转角试验结果比仅考虑季节性温度作用时增大了94%。

整体式斜交桥台-桩-土体系往复加载拟静力试验

将整体式桥台引入斜交桥中形成整体式斜交桥,可有效改善地震中桥梁上部结构纵横向耦连效应造成的面内扭转及落梁现象;但整体式桥台中主梁与桥台浇筑为一体,在地震作用下将发生复杂的桥台-桩-土相互作用。为此,以某整体式斜交桥为原型,开展了斜交桥台-H形钢桩-土体系往复加载拟静力试验研究,探究了体系的抗震性能、台后土压力分布规律以及桥台和钢桩的水平变形特征等。结果表明:斜交桥台-H形钢桩-土体系具有较高的耗能能力及延性,台后土对体系的抗震性能影响显著。台后土提高了体系抗侧承载力及刚度,但亦造成正负向受力不对称性,其中正向抗侧承载力及刚度明显高于负向,但残余承载力及位移明显小于负向。在小位移(<0.01H,H为桥台高度)下,斜交桥台的台后土压力沿埋深方向近似呈三角形分布,最大土压力位于台底;沿水平方向呈抛物线形分布,最大土压力位于距桥台锐角0.25 m处;沿纵桥向呈三角形分布,最大土压力位于台背。在大位移(≥0.01H)下,台后土靠台背处出现明显扇形塌陷区域,导致桥台顶部土压力降低,沿埋深方向开始呈双折线分布,沿水平方向呈三折线分布,最大土压力位置不变;沿纵桥向呈双折线分布,最大土压力与台背距离随加载位移逐渐增加。试验结束时,桥台顶部塌陷区域深度近500 mm,宽度近600 mm。加载过程中桥台基本为刚体,出现平动及转动位移;由于部分台后土流动至钢桩前侧,钢桩顶部产生朝向台后土方向的局部累积变形,桩身水平变形在埋深0.25 m处出现拐点及最大值,而非桩顶,试验结束后无明显残余变形。

整体式桥台桥梁的简化计算模型研究

提出了整体式桥台桥梁在成桥阶段计算的三维框架简化模型;然后在ANSYS基础上进行二次开发,编制了计算桩基的等代桩长和台后土压力合力的专用分析程序IABS。利用IABS程序,结合国内现有的桥梁设计软件,即可直接进行整体式桥台桥梁的实际工程设计,为该类桥梁在我国的推广应用提供了设计基础。同时还以某一实际工程的整体式桥台桥梁为研究对象,采用IABS程序对可能影响桩基等代桩长和台后土压力合力的各种结构因素进行分析,得出若干有益于该类桥梁设计的结论。