鉸接式搭板在橋面跳車病害中的應用

有很多方法可以控制橋頭的墜落，而放置橋頭的方法是最常見的方法之一。設置橋頭搭板簡單實用,其目的是將橋臺與路堤銜接處突變的錯臺高差分散到搭板的兩端,從而改善橋頭跳車現象。目前,對跳車現象的防治沒有進行專項設計,規范也沒有具體的控制指標。橋頭搭板的受力情況和普通路面板的情況不同,普通路面板可以看作彈性地基上的板,而橋頭搭板有一端放在橋臺上,其余的大部分放在路基上,既有簡支的成分,也有放在彈性地基上的成分。因此,板底支撐的力分布是很不均勻的,尤其當脫空段比較長的時候,而板的剛度又比較大,這樣遠橋臺端搭板下的地基要提供較大的支撐力,也就是說遠橋臺端搭板地基要比路面板下的路基承受更大的荷載。如果對板下地基處理不當,搭板遠橋臺端局部沉降,與相接路面板形成高差臺階,就會造成二次跳車。本文根據協調變形原理,采用可調節和適應橋頭沉降差的“鉸接式”過渡結構,消除橋頭結構與路堤之間的變形差,保持橋面與路面之間的連續性和平滑性,解決長期困擾人們的橋頭跳車問題,也可適當降低橋頭路基加固的技術難度和施工成本。1搭板與橋臺的連接普通的搭板(整體板)結構形式是一端支承在臺背上,另一端支撐在路基枕梁上的小跨徑板。由于路基沉降后搭板會產生縱向的滑移,必須設置錨栓。搭板長度依據設計行車速度、路堤填土高度及預計引道填土的工后沉降量大小來確定。搭板遠離橋臺端下沉量往往較大,會引起橋臺上的板端轉動。以往由于構造不夠合理,有時造成臺背牛腿的損壞、靠近橋臺的板端裂縫或造成路面隆起等病害。為了避免上述病害的發生,需要對搭板與橋臺的連接方式等進行改進。房營光教授提出了一種采用新的方式與臺背相連接的鉸接式搭板,搭板由臺后一次搭板和二次搭板兩級板組成,一次搭板板端呈圓弧形,其一端鉸接在臺背上,另一端與二次搭板鉸接;即兩塊搭板之間鉸接,起到協調變形的目的。該鉸接式搭板的應用研究為廣東省公路管理局科研計劃項目,現已進行了施工圖設計,等待實橋試驗。其構造簡圖如圖1所示。鉸接式搭板的工作原理如下:當鉸接式搭板下沉時,一次搭板的一端繞臺背上的鉸接點轉動,另一端與二次搭板相對轉動,以適應不均勻下沉,避免板端路面的隆起。原整體板遠離橋臺端傳給地基的過大荷載現由一次搭板和二次搭板下的地基共同承受,且同時二次搭板又進一步把這種受力的不均勻性由搭板向路面板作了過渡,從而避免出現因局部沉降過大造成的二次跳車。2鉸接式搭板的準備為了與普通搭板進行比較,本文計算中采用了2種搭板模型。整體板(普通搭板):長度取8m;鉸接式搭板:總長取8m,其中一次搭板和二次搭板長度均為4m。板的寬度按單車道考慮,有限元模型中取為4m,板厚取為0.3m(圖2)。(1)有限元單元劃分搭板和地基均采用Solid45單元,搭板單元與地基單元在交接面處共用節點,不設置接觸單元。鋼筋混凝土搭板彈性模量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,地基的長度取16m,地基厚取6m,根據《公路路基施工技術規范》(JTGF10-2006)中土質路基壓實度標準,取相應地基變形模量E0=40～50MPa,考慮壓實度不夠的地基和軟土地基,地基變形模量E0分別取10、20、30、40和50MPa。取搭板劃分單元大小為50cm×50cm×30cm;地基劃分單元大小為50cm×50cm×50cm。(2)耦合上緣交線處的改變地基兩端橫橋方向位移為0,地基底面約束所有自由度,搭板靠近橋臺端對搭板下緣節點只容許縱向轉動,其余位移約束,遠端自由;對鉸接式搭板,還有兩搭板交界面處耦合上緣交線處所有節點的全部位移。根據公路橋規采用車輛荷載標準值,加載時將輪壓等效為0.6m×0.2m的面荷載,即每個輪載為583.3kN/m2。考慮車輛下橋沿板中線行駛到公路,計算如下5個工況(圖3):①兩后軸剛好作用于一次搭板橋臺端;②兩后軸作用于一次搭板遠端;③兩后軸等距離作用于一次搭板與二次搭板;④兩后軸作用于二次搭板近橋臺端;⑤兩后軸作用于二次搭板遠橋臺端。3鉸接板的拉應力在工況①～⑤的作用下,分別模擬整體板和鉸接板板下地基變形模量E0分別為10、20、30、40、50MPa5種共50種組合情況進行計算,得到在不同地基變形模量下,搭板順橋方向中軸線處的板底最大拉應力σ以及板遠離橋臺端撓度f1值,其計算結果如表1、2所示。從表1、2可以看出,兩種模型在工況①時板底應力最大,工況⑤時搭板遠離橋臺端(搭板與路面板交界處)撓度最大,以此作出在工況①作用下地基變形模量E0與板底最大拉應力σ的關系圖(圖4)以及工況⑤作用下地基變形模量E0與搭板遠離橋臺端撓度f1的關系圖(圖5)。由圖4可以看出,隨著地基變形模量的增大,整體板和鉸接板板底拉應力均逐漸減小,鉸接板的板底拉應力要小于整體板的板底拉應力;地基變形模量在10～20MPa的范圍內,整體板板底拉應力減小很快,鉸接板的板底拉應力要比整體板的小近30%,當地基變形模量增大到50MPa時,鉸接板比整體板的拉應力只小3%。上述分析表明,對地基變形模量較小的軟土地基,鉸接板能有效地減小其板底拉應力;對地基變形模量較大的地基,兩種板的板底拉應力基本相當。由圖5可知,隨著地基變形模量的增大,兩板遠離橋臺端撓度均逐漸減小,且鉸接板的撓度要小于整體板的撓度。地基變形模量在10～20MPa的范圍內,隨著變形模量的增大,兩板遠離橋臺端撓度迅速減小,鉸接板的撓度比整體板的小25%;地基變形模量從20MPa增大到50MPa時,曲線較為平緩,鉸接板的撓度比整體板的小20%。上述分析表明,鉸接板能有效減小搭板遠離橋臺端的撓度,特別對于地基變形模量小的軟土地基,效果更為明顯,從而避免了二次跳車。由圖6可以看出,對于搭板順橋向中點的撓度f2,隨著地基變形模量的增大,兩板順橋向中點處撓度均逐漸減小,且鉸接板的撓度要大于整體板的撓度。地基變形模量在10～20MPa的范圍內,鉸接板的撓度比整體板的撓度大10%左右,隨著變形模量的繼續增大,兩種板的撓度逐漸減小且趨于接近,當變形模量增大到50MPa時,鉸接板的撓度比整體板的大5%。上述分析表明,鉸接板在一次搭板和二次搭板交界處的撓度要比整體板同位置的撓度大,但隨著地基土的沉降,鉸接處帶動一次搭板和二次搭板協調變形,可避免由地基沉降帶來的搭板脫空。為了對比鉸接板和整體板的性能,取變形模量為E0=40MPa的標準壓實地基,在工況③和工況⑤的作用下,對兩種搭板進行受力分析。考慮在鉸接板變形最大的工況③的作用下,搭板順橋向中線上不同位置的撓度、板底應力值見圖7、8。由圖7可知:鉸接板除了板中鉸接位置的撓度稍大于整體板,其余位置兩種板撓度基本相等,鉸接處撓度并不大,故不會形成跳車;由于鉸接處帶動一次搭板和二次搭板協調變形,可減少由地基沉降帶來的搭板脫空。從圖8可以看出,在此工況的作用下,鉸接板的板底順橋向中線上拉應力明顯小于整體板同位置的拉應力;在1.6～4m的范圍內,鉸接板板底拉應力比整體板的拉應力小30%;在4～8m的范圍內,鉸接板板底應力接近0,整體板板底拉應力也較小。考慮工況⑤(即汽車將要駛離搭板)的作用下,搭板順橋向中線上不同位置的撓度、板底應力值如圖9、10所示。由圖9、10可知,鉸接板順橋方向中線上不同位置要比整體板同位置的撓度小20%;鉸接板的板底順橋向中線上拉應力明顯小于整體板同位置的拉應力。鉸接式搭板的撓度比整體板的撓度有較大幅度減小,這表明鉸接式搭板消化地基沉降的作用主要通過一次搭板和二次搭板的協調變形來實現。對照分析圖8和圖10可以看出,在這兩種工況的作用下,位置-應力曲線走勢基本一致,板底拉應力在0～4m處較大,整體板4～8m處應力較小,鉸接板4～8m處應力接近0。4對地基變形的影響(1)鉸接式搭板遠離橋臺端的撓度小于整體式搭板相應位置的撓度,而板中鉸接處的撓度又稍大于整體式搭板相應位置的撓度,正是由于鉸接處帶動一次搭板和二次搭板協調變形,可減少由地基沉降帶來的橋頭跳車及搭板脫空