桥头搭板与路基路面结构一体化研究.pdf

年 第 期(总第 期)黑龙江交通科技 .(.)桥头搭板与路基路面结构一体化研究李 洁(济宁市鸿翔公路勘察设计研究院有限公司山东 济宁)摘 要:为了研究桥头搭板与路基路面结构一体化的有效评价路径结合云贵高速武定桥工程项目以有限元分析理论的核心内容作为理论基础再通过借助 软件开展云贵高速武定桥桥头搭板与路基路面结构一体化的模型建立和数值分析 从模型数值分析结果可以看出云贵高速武定桥桥头搭板与路基路面临界衔接区段在外力均质荷载 的作用下距离衔接接触中点.处、.处、.处的稳定状态位移量非常小发生桥头跳车现象的可能性低 从而实现对于云贵高度武定桥桥头搭板与路基路面结构一体化的设计效果评价关键词:有限元分析理论桥头搭板路基路面设计一体化中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:收稿日期:作者简介:李洁()女山东济宁人硕士工程师研究方向:交通工程道路方向 桥头搭板设计的理论.有限元分析理论的核心内容有限元分析理论的核心内容是七个步骤:一是将构件的结构离散化形成规格一致的有限单元网格二是通过计算所有单元网格的刚度矩阵从而得到结构构件总的刚度矩阵三是利用各个有限单元形成关于单元节点的荷载向量四是根据结构构件所处的实地环境引入外部约束条件建立线性代数方程组五是依据函数关系式或者数学计算软件求解线性数学方程组六是开展节点的位移(即横向或者是纵向的压缩变形量)计算七是核算相应压缩变形量境况下对应的单元应力.桥头搭板设计中的有限元分析理论首先将桥头搭板看作一块板式结构构件(含枕梁部分)再把桥头搭板构件与天然路基、填土路堤一起看作是相同性质且质地均匀的同一材料即某一弹性体 从而将某一同质均质弹性体看作是桥头搭板与路基路面结构一体化的外在表现.同质均质弹性体的有限元微分方程在使用有限元分析理论对桥头搭板及路基路面一体化进行分析时先将同质均质弹性体划分为无数个规格大小一致的矩形单元 如图 所示某一矩形单元长度 宽度 厚度为 以该矩形单元的中心点 作为原点建立平面 坐标系则矩形单元内任一无量纲坐标()(/)若将图 所示矩形单元的四个角点看作节点那么节点 的无量纲坐标()分别为()、()、()、()由此可以推算出矩形单元内某一节点的单位移向量如式()所示矩总第 期黑龙江交通科技第 期图 同质均质弹性体矩形单元形单元任意一点的位移采用单元节点的位移进行表示可用式()表示()式中:为同质均匀弹性体矩形单元的/长度为同质均匀弹性体矩形单元内某一节点为同质均匀弹性体矩形单元内某一节点 的位移向量为同质均匀弹性体矩形单元顶点 受到的横向约束为同质均匀弹性体矩形单元某一顶点 受到的纵向约束为同质均匀弹性体矩形单元顶点 受到的横向约束为同质均匀弹性体矩形单元某一顶点 受到的纵向约束为同质均匀弹性体矩形单元顶点 受到的横向约束为同质均匀弹性体矩形单元某一顶点 受到的纵向约束为同质均匀弹性体矩形单元顶点 受到的横向约束为同质均匀弹性体矩形单元某一顶点 受到的纵向约束 表示约束周期 ()式中:为同质均匀弹性体位移向量 为同质均匀弹性体矩形单元矩阵在式()中矩阵 值的计算如式()所示在矩阵 中向量 的计算如式()所示且 具有如式()所示的特征()()()()()()式中:为同质均匀弹性体矩形单元向量为同质均匀弹性体矩形单元节点 的无量纲横坐标为同质均匀弹性体矩形单元节点 的无量纲纵坐标 为无量纲横坐标修正系数 为无量纲纵坐标修正系数.桥头搭板的有限元理论基于前文中同质均质弹性体的有限元微分方程可以推知当把桥头搭板和路基路面作同质均匀弹性体看待时搭板、路基和路面之间必然存在与外力相关联的因素 假定桥头搭板与路基路面之间的外力作用 ()桥头搭板与路基路面在外力作用下处于稳定状态的位移为 ()当此位移值是在安全的位移范围内即表明桥头搭板与路基路面之间的结构一体化效果较好桥头搭板与路基路面组成的整体沉降稳定无安全隐患虽然有限元分析理论在我国多个工程领域已经得到了应用实践但是在高速公路桥头搭板与路基路面的一体化设计领域其应用探索还相对较少因此基于有限元分析理论开展高速公路桥头搭板与路基路面的一体化设计探究尤其是针对桥头搭板与路基、路堤临界衔接区域的一体化进行设计探究对于今后一段时期内就提升桥头搭板的使用效能保障高速公路上车辆的行驶安全而言是非常有益的 桥头搭板与路基路面一体化设计案例分析.云贵高速武定桥工程概况云贵高速武定桥桥梁设计长度 宽度 双向四车道 该高速公路桥梁有一段长度 的距离范围属于脱空区桥头搭板与桥梁的一体化设计长度为 桥头搭板长度 搭 以桥头搭板方向为横向 方向以垂直于桥头搭板的方向为竖向 方向可以看出云贵高速武定桥的桥梁一端受简支桥台约束另一端桥头搭板置于路堤上受路堤支承 以桥头搭板与路堤的接触点为临界衔接接触中点临界衔接接触中点左右.范围内(总长度.范围内)的均值荷载设计值为 .云贵高速武定桥桥头搭板设计类型的初步确定在我国高速公路桥头搭板的设计类型主要有单段式搭板、多段式搭板、可抬升式搭板三种类型单段式搭板属于典型的桥头一端置于台背部位搭板一端置于台背墙顶的两端约束类型和云贵高速武定桥的约束类型最为相似但是单段式搭板的长度一般较小多段式搭板通常适用于长度在 以上的桥头搭板设计可抬升式搭板虽然构造最为简单但是对于路基的强度要求较高一般可抬升式搭板需要使用高强度混凝土换填至少 厚的天然路基或者填筑路堤作为台座式千斤顶的基础 基于项目投资成本控制的考虑云贵高速武定桥项目的设计人员初步确定选择单段式搭板或者多段式搭板作为桥头搭板的设计类型.云贵高速武定桥桥头搭板长度的设计与搭板类型的确定根据前文可知云贵高速武定桥桥头搭板与桥梁的一体化设计长度为 桥头搭板长度 搭 按照现有最新版本的公路工程技术标准和公路路线设计规范要求桥头搭板的长度 搭需要大于路堤不均匀沉降段的长度而且路堤不均匀沉降段的纵向坡度变化率需要控制在 到 以内 由此云贵高速武定桥项目的设计人员依照公路工程技术标准和公路路线设计规范中的搭板长度 搭计算公式如式()所示进行桥头搭板长度 搭的设计值确定第 期李 洁:桥头搭板与路基路面结构一体化研究总第 期搭/()式中:搭为桥头搭板长度 为桥台与填筑路堤之间的不均匀成降值 为路堤不均匀沉降段的纵向坡度变化率 按照公路工程技术标准和公路路线设计规范的要求 公路工程技术标准和公路路线设计规范规定根据对云贵高速武定桥附近其他高速桥梁路基、路堤的长年不均匀沉降监测与记录发现云贵高速武定桥周边最近的兴源高速桥路基、路堤的纵向坡度最小沉降为.最大沉降为.为了充分保障桥头搭板的长度设计安全保守起见项目设计人员以 作为云贵高速武定桥桥台与填筑路堤之间的不均匀沉降参考值以.作为云贵高速武定桥的纵向沉降坡度设计参考值 由此根据式()计算得出云贵高速武定桥的桥头搭板设计长度搭/.前文中提到云贵高速武定桥项目设计人员初步决定选择单段式搭板或者多段式搭板作为桥头搭板的设计类型根据上面的计算结果可以看出云贵高速武定桥的桥头搭板设计长度约为.故应选择多段式桥头搭板作为云贵高速武定桥桥头搭板的设计类型基于上述设计分析和计算可以得出云贵高速武定桥的桥梁一段长度 桥头搭板设计长度 搭.那么云贵高速武定桥与桥头搭板的一体化设计长度为 搭.且为多段式桥头搭板.基于 模型分析桥头搭板与路基路面的一体化 软件是开展有限元数学建模分析运用的常用软件通过针对云贵高速武定桥桥头搭板与路基路面之间结构一体化的 软件模型分析验证前文中的理论设计成果在 软件中输入桥梁与桥头搭板的一体化长度近似值.该桥的桥头搭板厚度参考云贵高速武定桥附近兴源桥的桥头搭板厚度与宽度厚度取值 .宽度取值 .经测算该桥头搭板成品钢筋混凝土构件的弹性模量为 桥头搭板与路基路面临界衔接接触中点左、右.范围(总长度.范围内)的均值荷载设计值为 经试验测得路基土体弹性模量 路面土体弹性模量 将此结合体桥头搭板与路基路面临界衔接接触中点左右.范围(总长度.范围内)的临界衔接区段通过 软件分割为尽可能小的规格一致矩形单元接着使用 软件根据公式()至公式()就桥头搭板与路基路面临界衔接区段.范围(总长度.范围内)在外力均质荷载 的作用下处于稳定状态时的位移进行计算得出的计算结果表 所示表 同质均匀弹性体稳定状态时的位移桥头搭板位置路基所受荷载/()路面所受荷载/()桥头搭板所受荷载/()稳定状态位移量/距离中点.处.距离中点.处.距离中点.处.经过有关测算在表 所示稳定状态下的变形位移量对于发生桥头跳车现象的可能性很低遂而验证了云贵高速武定桥桥头搭板与临界衔接区域路基路面一体化设计的使用安全性 此外我们也可以看出在当前我国公路工程技术标准和公路路线设计规范的指导下桥头搭板的设计类型和设计长度虽然受到了设计区域路基、路堤不均匀成降值和纵向坡度变化率的严格限制但是使用有限元分析理论对桥头搭板与路基路面临界衔接区域的计算分析显示我国现行的公路工程技术标准和公路路线设计规范对于保障桥头搭板的设计安全而言是起到了较好的指导作用的 结 语梳理有限元分析理论的核心内容从同质均质弹性体的有限元微分方程角度明晰和掌握桥头搭板设计中的有限元分析理论以云贵高速武定桥桥头搭板设计类型的初步确定、桥头搭板的长度设计和桥头搭板类型的进一步确定以及利用 软件对云贵高速武定桥桥梁与桥头搭板的一体化长度开展路基路面一体化位移建模分析 根据模型数值分析结果可以看出云贵高速武定桥桥头搭板与路基路面临界衔接区段在外力均质荷载 的作用下距离衔接中点.处、.处、.处的稳定状态位移量分别为.、.、.其位移量非常小发生桥头跳车现象的可能性很低 从而得出云贵高速武定桥的桥梁桥头搭板与路基路面一体化设计符合有限元分析理论标准与最新公路工程技术标准和公路路线设计规范的结论参考文献:林小明.市政道路桥梁工程中沉降段路基路面施工技术.河南建材():.侯林杰.桥头路基路面与搭板一体化结构设计分析.建筑技术开发():.徐光伟.桥梁台后路基路面沉降治理的施工要点分析.工程技术研究():.唐杨唐彬王国炜等.桥头搭板受力分析及影响因素研究.盐城工学院学报(自然科学版)():.刘润星王海亮.桥头搭板设计方法与技术参数研究.内蒙古公路与运输():.丁静声吴国雄王卫花.基于台背加固后的桥头搭板长度数值计算与分析.重庆交通学院学报():.