连续梁桥桥墩偏位成因及稳定安全性研究

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近年来,我国高速公路建设事业蓬勃发展,但在开展高速公路桥梁营运现状调查时,常常能够发现连续梁桥交接墩墩顶会出现较大的纵向偏位,同时伴有支座滑移超限和墩底环裂缝等病害,这类病害使得桥墩结构的稳定性和承载能力大大降低,桥梁结构安全无法得到保障。因此进行连续梁桥桥墩偏位成因及稳定安全性研究对桥梁的结构设计和运营维护提供了重要的参考价值。本文以辉白高速李家堡子特大桥为工程背景,利用ABAQUS有限元分析软件建立了两联桥梁模型,对交接墩墩顶偏位的成因进行桥梁整体和桥墩局部分析,同时还从桥墩稳定性、受力性能以及损伤性能三个方面分析桥墩偏位后的稳定安全性能。首先介绍了桥梁结构稳定问题的分类、稳定性分析的有限元法以及初始几何缺陷的模拟方法,明确了桥墩进行偏位后的非线性稳定性分析,需要将特征值屈曲分析得到的一阶屈曲模态作为含有初始几何缺陷的桥墩结构形态,再基于弧长法利用ABAQUS对桥墩稳定极限荷载进行求解。其次对有限元基本原理进行介绍,明确了ABAQUS桥梁模型材料本构关系,重点进行了混凝土损伤塑性模型重要参数的推导,同时详细分析了盆式橡胶支座滑动面的接触属性,包括滑动面间的接触相互作用、单元类型等,以此建立了ABAQUS李家堡子特大桥两联桥梁模型。应用上述模型分析桥墩偏位的成因。利用ABAQUS两联模型分析桥梁在设计作用、支座滑动面不水平情况下的墩顶位移情况,结果表明:设计作用不会对桥墩造成不利影响;当支座滑动面不水平,并考虑桥梁实际运营阶段主梁长期温度变化时,初期墩顶纵向位移和墩底拉应力会迅速增加,而在历经数个温升温降循环后会逐渐趋于稳定。利用ABAQUS桥墩模型分析墩身日照温差荷载、初始几何缺陷、墩身刚度和支座摩擦系数对墩顶纵向位移的影响。结果表明:墩身日照温差荷载对桥墩偏位有较大影响;桥墩存在初始几何缺陷会使其在桥梁运营阶段产生墩顶偏位,因此必须严格控制施工过程,尽可能避免桥墩初始几何缺陷的出现;墩身刚度和支座滑动面摩擦系数也会对墩顶纵向位移有一定的影响,在桥梁设计阶段可以通过降低桥墩高度、增大墩身截面尺寸以及合理选用支座的方式来控制桥墩偏位病害的程度。最后利用ABAQUS桥墩模型从桥墩稳定性能、受力性能以及损伤性能三个方面分析其偏位后的稳定安全性能。结果表明:随着墩顶纵向偏位的逐渐增大,桥墩的极限承载力和稳定性安全系数均会逐渐降低,当墩顶纵向偏位达到38cm时,桥墩的稳定性安全系数降低了37.6%,虽然此时墩身材料应力均小于规范中规定的允许值,但出现了较严重的混凝土拉压损伤,其中受拉损伤因子已经达到了0.94,可见偏位后桥墩的稳定安全性能较差,必须及时采取有效控制措施,并进行维修加固处理。
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