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一、工程概況

本文擬建道路為城市次干路，標(biāo)準(zhǔn)路幅寬度為24m，設(shè)計(jì)速度為30km/h，橋墩距離道路外邊線為14m。受道路標(biāo)高的控制，需對(duì)橋下開展回填處理，最大回填高度約12m，道路建成后與橋梁路面間高差約14m。現(xiàn)狀橋墩為雙墩結(jié)構(gòu)，墩間距10.5m，橋墩直徑2.5m，采用C30鋼筋混凝土護(hù)筒防護(hù)，壁厚50cm，護(hù)筒與橋墩間的安全距離為50cm。

二、有限元模型建立及分析

（一）有限元數(shù)值分析簡(jiǎn)介

有限元分析是指將研究對(duì)象分散成一定數(shù)量的單元，每個(gè)單元之間是互相聯(lián)系的，可以將其看作由一定數(shù)量的單元構(gòu)成的整體，通過整體分析各單元得出工程所需的研究結(jié)果。巖土工程常用的有限元分析軟件較多，本文選取Midas GTS三維數(shù)值有限元軟件分析鋼、鋼筋混凝土護(hù)筒的變形及受力。

（二）護(hù)筒形式及安全距離

本文選取常用的鋼筋混凝土護(hù)筒及鋼護(hù)筒展開對(duì)比分析。對(duì)于護(hù)筒與橋墩間的安全距離取值，通過查閱相關(guān)工程案例，得知安全凈距最大為80cm、最小為50cm，暫選50cm安全凈距作為護(hù)筒有限元分析的前提條件。

（三）護(hù)筒單元?jiǎng)澐?/h3>

對(duì)比分析圓形護(hù)筒，有限元模型的圓形結(jié)構(gòu)通常采用由直代曲的形式建立。若護(hù)筒各單元?jiǎng)澐殖叽缣?，易造成?jì)算結(jié)果與工程實(shí)際不符，影響分析判斷；若單元尺寸較小，則易造成數(shù)據(jù)過大，影響研究進(jìn)度。此處選取護(hù)筒單元為1m作為單元?jiǎng)澐謽?biāo)準(zhǔn)。

表1 模型參數(shù)取值表

（四）材料參數(shù)

對(duì)于鋼、鋼筋混凝土護(hù)筒、橋墩采用線彈性本構(gòu)模型，其余巖土材料均采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，相關(guān)材料參數(shù)如表1所示。

（五）施工階段模擬

圖1 有限元分析模型

建立有限元分析模型如圖1所示。護(hù)筒防護(hù)下的新建路基回填模擬可以大致分為初始位移清零、護(hù)筒施工和路基分層填筑（護(hù)筒施工2m后填筑一次）三個(gè)步驟。

三、有限元結(jié)果分析

本文選取橋墩直徑為1.5m，路基回填高度為5m、8m和12m，在其余工況相同的前提下，對(duì)比分析鋼筋混凝土護(hù)筒和鋼護(hù)筒的位移及應(yīng)力。

（一）鋼筋混凝土護(hù)筒

當(dāng)鋼筋混凝土護(hù)筒壁厚為20cm時(shí)，各填土高度（從左到右為5m、8m和12m）下護(hù)筒產(chǎn)生的位移及應(yīng)力分布情況如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可知，填土越高對(duì)護(hù)筒產(chǎn)生的水平位移、應(yīng)力越大。當(dāng)路基回填高度為12m時(shí)，鋼筋混凝土護(hù)筒（壁厚20cm）的最大水平位移為2.2cm，小于標(biāo)準(zhǔn)要求5cm，最大應(yīng)力為23.1MPa，已大于其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值14.3MPa，因此壁厚20cm不能滿足工程要求。

（二）鋼護(hù)筒

當(dāng)鋼護(hù)筒壁厚為2.4cm時(shí)，各填土高度（從左到右為5m、8m、12m）下護(hù)筒產(chǎn)生的位移及應(yīng)力分布情況如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，當(dāng)路基回填高度為12m時(shí)，鋼護(hù)筒（壁厚2.4cm）的最大水平位移為2.3cm，小于標(biāo)準(zhǔn)要求5cm，最大應(yīng)力為201.5MPa，小于鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215MPa，護(hù)筒位移和應(yīng)力均滿足工程需求。

圖2 護(hù)筒位移云圖

圖3 護(hù)筒應(yīng)力云圖

通過對(duì)比分析圖2～圖5可知，當(dāng)填土高度為12m時(shí)，兩種材料護(hù)筒所產(chǎn)生的最大水平位移為2.4cm和2.3cm，相差不大；護(hù)筒產(chǎn)生的應(yīng)力差異較大，鋼筋混凝土護(hù)筒最大應(yīng)力已超過材料設(shè)計(jì)值。因此，橋墩護(hù)筒防護(hù)應(yīng)優(yōu)先采用鋼護(hù)筒結(jié)構(gòu)。

（三）護(hù)筒最小壁厚及與橋墩間安全凈距

當(dāng)路基回填土高度為5m～12m時(shí)，各壁厚下鋼筋混凝土護(hù)筒產(chǎn)生的最大水平位移及應(yīng)力如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可知，當(dāng)橋下路基回填高度小于等于8m時(shí)，鋼筋混凝土護(hù)筒最小厚度為20cm；當(dāng)橋下路基回填高度8m＜h≤11m時(shí)，鋼筋混凝土護(hù)筒最小厚度為30cm；當(dāng)橋下路基回填高度小于11m＜h≤12m時(shí)，鋼筋混凝土護(hù)筒最小厚度為40cm；護(hù)筒與橋墩間的最小安全距離為10cm。

圖4 護(hù)筒位移云圖

圖5 護(hù)筒應(yīng)力云圖

當(dāng)路基回填土高度為5m～12m時(shí)，各壁厚下鋼護(hù)筒產(chǎn)生的最大水平位移及應(yīng)力如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可知，當(dāng)橋下路基回填高度小于等于8m時(shí)，鋼護(hù)筒最小厚度為6mm；當(dāng)橋下路基回填高度8m＜h≤11m時(shí)，鋼護(hù)筒最小厚度為18mm；當(dāng)橋下路基回填高度小于11m＜h≤12m時(shí)，鋼筋混凝土護(hù)筒最小厚度為24mm；護(hù)筒與橋墩間的最小安全距離為30cm。

（四）工程實(shí)例分析

本文所依托項(xiàng)目回填土高度為12m，采用50cm鋼筋混凝土防護(hù)。根據(jù)上述分析得出，鋼筋混凝土護(hù)筒壁厚40cm即可滿足工程所需，當(dāng)壁厚為40cm時(shí)護(hù)筒最大水平位移為4.2cm，最大應(yīng)力為6.4MPa，均滿足規(guī)范控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 不同壁厚最大位移（鋼筋混凝土護(hù)筒）

圖7 不同壁厚最大應(yīng)力（鋼筋混凝土護(hù)筒）

圖8 不同壁厚最大位移（鋼護(hù)筒）

圖9 不同壁厚最大應(yīng)力（鋼護(hù)筒）

四、結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合工程示例，通過有限元分析軟件，對(duì)比分析兩種材料護(hù)筒得出3項(xiàng)結(jié)論。

路基回填越高，對(duì)護(hù)筒產(chǎn)生的影響越大。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抵抗位移能力強(qiáng)，但承載能力稍遜于鋼結(jié)構(gòu)，橋墩護(hù)筒防護(hù)應(yīng)優(yōu)先選取鋼護(hù)筒，對(duì)于護(hù)筒位移控制要求較高的情況下建議選取鋼筋混凝土護(hù)筒。

針對(duì)不同路基回填高度的護(hù)筒防護(hù)，應(yīng)結(jié)合護(hù)筒位移及應(yīng)力影響，根據(jù)回填高度選取相應(yīng)的護(hù)筒最小壁厚，確保工程經(jīng)濟(jì)、可靠，不應(yīng)盲目增加壁厚保障工程安全。

不同的護(hù)筒材料，其抵抗位移的情況有所不同，應(yīng)根據(jù)材料的特征選取最優(yōu)護(hù)筒-橋墩安全保護(hù)凈距，在節(jié)約造價(jià)的同時(shí)縮短工程周期。