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桥梁基础不均匀沉降对桥梁结构的影响

范文

阎玉菡孙拴虎李帅齐海鹏

摘要：桥梁的基础沉降对桥梁的影响时常发生，所以需要根据危害的程度来在设计建造桥梁的时候做出一些预防措施。同时，地质条件以及支承形式和沉降都有很大关系。因此，研究基础不均匀沉降对连续钢构桥的影响具有理论意义和使用价值。结合具体实际，以位于保山（大官市）%陵（龙卡山）高速公路6合同登高段处T形刚构桥为例，用MIDAS软件建立了桥梁模型，根据模型特点对主桥的六个支座分别加了强制位移2cm，模拟沉降情况，通过对比分析各种情况下的数据，总结出最不利情况以及不同情况对桥梁的利害程度。

關键词：支座;基础沉降;连续刚构桥

中图分类号：U443.1文献标志码：A

1基础不均匀沉降概述

我国的地理地势十分复杂，随着交通的越来越发达，全国各个地方都新建了许多桥梁，但是由于地形的不同以及桥梁修建的时间增加，往往会出现各种基础沉降问题。地基土质条件复杂以及上部建筑结构荷载不均匀等因素都将导致建筑结构基础产生不均匀沉降，造成一些构件的开裂甚至破坏。桥梁基础的不均匀沉降是很常见的问题，地基的不均匀沉降将导致上部结构的变形和内力重分布，而内力和变形的变化将影响结构的正常使用功能和极限承载能力。

本论述以位于保山（大官市）—龙陵（龙卡山）高速公路6合同登高段处T形刚构桥结构为例，运用MIDAS软件研究了地基基础不均匀沉降对上部结构内力，变形，应力以及支座沉降的影响。通过在建立好的桥梁模型上分别对四部分支座添加支座强制位移，来得出不同支座沉降对桥梁结构的影响，从对比结果中选出了最不利情况，再对其加以不同的支座沉降量，进一步得出基础不均匀沉降与梁单元内力，变形，应力等的关系。

1.1基础不均匀沉降的原因

基础沉降对桥梁结构有着非常重要的影响，每年因为基础沉降造成的桥梁垮塌时间很多，基础沉降现在是桥梁中比较严重的危害之一。造成桥梁基础不均匀沉降的原因有很多，这中间既有大自然的因素，也有人为失误的因素，具体来说可以分为以下几类：（1）地质情况复杂;（2）流水冲刷侵蚀;（3）上部结构超载;（4）基础差异;（5）人为主导因素;（6）突发不可抗力。

1.2基础不均匀沉降的影响

通过对近年来由于桥梁基础不均匀沉降造成的连续刚构桥梁安全事故的分析，基础不均匀沉降对连续刚构桥上部结构的影响主要有下述几个方面：

（1）桥面线形发生改变，使桥面铺装层破坏并引发行车不平顺、桥头跳车等现象;

（2）主梁梁体出现偏移或挠度过大等情况，使主梁的内力和变形都发生改变，并加速了梁体混凝土裂缝产生的速度，直接影响到桥梁的安全稳定性;

（3）上部结构与下部结构的连接支座处梁底产生过大拉力或压力，使梁底支座和主梁都发生破坏;

（4）桥墩（台）、盖梁、挡块移位，并产生裂缝，甚至是破坏;

（5）基础不均匀沉降情节严重的，还会导致桥梁整体垮塌。

2模型建立分析

2.1工程背景

本论述建立位于保山（大官市）一龙陵（龙卡山）高速公路6合同登高段处T形刚构桥模型，为跨越一开阔的v型沟谷而设置;本桥为双幅桥，全桥为三联跨，左幅桥跨径为（2x30）+（65+120+65）+（4x30），右幅桥径为（3x30）+（65+120+65）+（4x30）。主桥为预应力砼变截面连续刚构箱梁，引桥采用预制T梁先简支后结构连续。下部构造按径向布置，桥台采用u型桥台;引桥桥墩采用T形薄壁墩，主桥桥墩采用箱形薄壁桥墩;基础采用钻孔灌注桩。左幅桥全长446.0m，右幅桥全长476.0m。全桥位于-5%、-3%、-6%的变坡段上，变坡点竖曲线半径分别为10000m及7000m，全桥平面位于圆曲线、缓和曲线、直线上;桥面直线段设双向2.0%横坡，曲线段设4%超高横坡，缓和曲线段按线性变化。

2.2模型建立

根据桥梁竣工资料，运用大型有限元软件Midas/Civil进行桥梁模型的建立和计算分析。全桥采用梁单元进行成桥阶段模型的模拟，建立了110个单元，111个节点，桥面材料是混凝土，中间加预应力筋，有两个主桥墩，加了静力荷载，移动荷载等荷载，建立模型进行计算。成桥模型如图1所示。

3基础不均匀沉降对连续刚构桥结构静力特性的影响

参照其他文献中的不均匀沉降，分五种情况给不同的支座加强制位移以模拟支座沉降效果，分别为右边跨支座沉降2cm、左边跨支座沉降2cm、右墩底支座沉降2cm、左墩底沉降2cm和左右墩底同时沉降2cm。所有的荷载组合均选择“恒载+支座沉降荷载+钢束一次+钢束二次+收缩二次+徐变二次”，将5种情况的梁单元内力图，位移变形图，应力图以及支座反力与不加沉降的模型计算结果比较，从而得出了最不利的的情况，再对最不利情况加以不同的沉降量，进一步分析沉降量大小对结构的影响。

3.1不同支座沉降对桥梁结构的影响

首先，添加“支座沉降荷载”静力荷载工况，类型选择“用户定义的荷载”，然后选择“荷载一静力荷载一强制位移”，选择荷载工况名称“支座沉降荷载”，然后在Dz方向加-0.02m强制位移，选择需要加的支座节点，因为需要得出不同支座沉降的影响，所以分别对左边跨支座，右边跨支座，左墩底支座，右墩底支座，左右墩底支座加了强制位移。每一种情况下得到了梁单元内力，变形位移，应力，支座反力，并将其分别绘图比较。

3.1.1位移变形

不同沉降情况变形位移对比如图2所示。

从图2中可以看出，当左边跨支座沉降和右边跨支座沉降的时候，对左边跨和右边跨的变形影响很大，当左右墩底支座同时沉降的时候对整个桥面影响都很大，而左墩底和右墩底单独沉降的时候，对桥的影响不大，基本与不加沉降时候的图形重合，即位移变化并不明显，最大位移出现在75号单元处，由左右墩底支座同时沉降或右边跨支座单独沉降的时候形成。

3.1.2梁单元内力

从图3中可以看出所有情况均是左右墩顶处的负弯矩最大，最小负弯矩在跨中处，各种情况沉降情况下，内力变化趋势基本相同，但是幅度大小不一，左墩顶最大负弯矩是在右墩底支座沉降情况下产生，右墩顶最大负弯矩是在右边跨支座沉降的时候产生，但是右墩底的最大负弯矩明显大于左墩顶负弯矩，因此从此图中可以知道右边跨支座沉降对本桥梁结构更为不利。

3.1.3应力

不同沉降情况应力对比如图4所示。

各种沉降情况的最大压应力均在72号单元处产生，在跨中处不同沉降情况对结构应力影响最小，基本与不加沉降时的应力大小相同，在左右墩顶到两边边跨之间变化最大，五种情况与不加沉降时进行比较，当右边跨支座沉降的时候，在72号单元处产生的压应力最大。

3.1.4支座反力

支座反力对比如图5所示。

六个支座的反力大小变化不大，所以图形基本全部重合，故可以知道支座沉降对支座反力的影响不大。

从表1可以得出，各种沉降情况对内力，位移，应力的影响大小不同，而对支座反力的影响并不大。而当右边跨支座沉降的时候，产生了所有情况中最大的负弯矩，变形位移和压应力，所有得出对于本桥梁模型最不利的沉降状况为右边跨支座沉降。

3.2最不利情况在不同沉降量时对结构的影响

从上一节中已经得出对桥梁结构影响最不利的沉降状况为右边跨支座沉降的时候，在这种情况下更改沉降的程度，分别加0cm、2cm、4cm、6cm的沉降量，比较当沉降量增加的时候，桥梁的内力，位移，应力和支座反力变化情况。

3.2.1变形位移

右边跨支座沉降量增加时的变化位移如图6所示。

因为是右边跨支座沉降，所以右边跨位移变化非常明显，而左边跨基本没有影响，从对比图中可以看出，当沉降量越大的时候，模型的位移变化越明显，变形位移越大，最大位移仍在75号单元处。

3.2.2梁单元内力

右边跨支座沉降量增加时的梁单元内力如图7所示。

同样可以看出因为是右边跨支座沉降，所以右边跨内力变化很明显，而左边跨基本没有变化，右墩顶负弯矩比左墩顶负弯矩大了很多，最大负弯矩出现在右墩顶60号单元处，且随着沉降量的增加，弯矩也随之增大，最大负弯矩在不同沉降量时候的值依次为-13600.2tonf.m，-15376.5tonf.m，-17152.9tonf.m，-18929.2tonf·m，沉降量每增加2cm，最大负弯矩的增幅为13%，11.5%，10.3%。

3.2.3应力

右边跨支座沉降量增加时应力如图8所示。

和位移，内力一样，右边跨应力变化很明显，且随着沉降量的增加应力也增加，且仍在72号单元处取得最大压应力值。

3.2.4支座良力

右边跨沉降量增加时反力对比见表2所列。

从表2中可以看出，左边跨支座（节点1）、两墩底支座（节点120、121、134、135）处反力随沉降量的增加呈轻微的增加趋势，右边跨支座（节点79）随沉降量的增加呈减小趋势。但变化不是很大，所以仍可得出沉降对支座反力影响不大的结论。

从上面对右边支座沉降量变化时内力、位移、应力的分析，可以得出梁单元内力、变形位移、应力均随着沉降量的增加而增大，且产生最大值得位置都一样，沉降对支座反力的影响仍然不大。

4结论及展望

4.1结论

本论述以位于保山（大官市）一龙陵（龙卡山）高速公路6合同登高段处T形刚构桥结构为工程背景，运用MIDAS软件研究了地基基础不均匀沉降对上部结构内力，变形，应力以及支座沉降的影响。最后得出以下结论：

（1）各种沉降情况对内力，位移，应力的影响大小不同，而对支座反力的影响并不大。当左边跨支座沉降的时候对左边跨影响很大，而右边跨基本不受影响，同理右边跨支座沉降的时候，对右边跨影响很大，左边跨基本不受影响，当两边墩底支座同时沉降的时候整个桥面的位移变形都很明显。而当右边跨支座沉降的时候，产生了所有情况中最大的負弯矩，变形位移和压应力，所以得出对于本桥梁模型最不利的沉降状况为右边跨支座沉降。

（2）在对右边跨支座加以不同的沉降量的时候，梁单元内力、变形位移、应力均随着沉降量的增加而增大，且产生最大值的位置都一样，沉降对支座反力的影响仍然不大。

4.2展望

本论述只就基础不均匀沉降对连续刚构桥的梁单元内力，变形，应力及支座反力影响做了研究，取得了初步结论，在今后的学习和实践中还需进一步分析，下一步的研究工作重点主要集中在以下几点：

（1）对基础不均匀沉降状况的模拟应该建立全面的实体模型，并取得所关心数据的实测值，将数值模拟结果与实测结果对比分析，掌握更贴近实际的基础不均匀沉降对连续梁桥结构力学性能的影响规律;

（2）梁体内预应力筋的工作状况会随着上部结构内力及变形的变化而发生改变，预应力筋工作状态的改变又必然影响着桥梁结构的整体工作状态，所以基础不均匀沉降对梁体内预应力筋工作状况的影响情况应该成为下一步工作的重点;

（3）基础不均匀沉降对不同梁截面、不同跨径组合及不同曲率半径的连续梁桥结构力学性能的影响情况会有差异，所以，在下一步的工作中，应该将这些因素也考虑进去，加深问题研究深度，丰富研究内容，进一步提高论文的研究价值;

（4）加强对基础不均匀沉降实时监测系统的研究、应用工作，努力将基础不均匀沉降造成的桥梁事故防患于未然。

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