獨柱單支承上部結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性驗算分析及應用

霍軍會 孫海霞

(陜西省交通規(guī)劃設計研究院，陜西 西安 710075)

獨柱單支承上部結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性驗算分析及應用

霍軍會 孫海霞

(陜西省交通規(guī)劃設計研究院，陜西 西安 710075)

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點，分析了獨柱單支承梁式橋傾覆破壞特征，據(jù)此制定出了適用于驗算獨柱支承梁式橋傾覆穩(wěn)定性的計算方法，并結(jié)合實例對某座獨柱單支承現(xiàn)澆梁橋進行了穩(wěn)定性評價，可供同類橋梁的設計及維修加固參考。

獨柱，單支承，抗傾覆，穩(wěn)定性，驗算分析

1 概述

在橋梁設計中，由于受到場地條件限制或考慮橋下景觀的要求，立交區(qū)現(xiàn)澆箱梁橋下部經(jīng)常采用獨柱墩設計。然而近年來因上部箱梁整體傾覆，導致車毀人亡的事故頻出，因此對此類橋梁上部傾覆穩(wěn)定性的計算受到了極大重視。目前，設計人員重點關(guān)注的問題多集中在橋梁的承載能力方面，相對于橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性方面關(guān)注不足，另外橋梁相關(guān)設計規(guī)范對結(jié)構(gòu)整體傾覆穩(wěn)定性驗算方面內(nèi)容相對缺失，以及車輛嚴重超載、車輛通行受限等原因，導致了獨柱單支承橋梁傾覆事故的發(fā)生[1]。本文首先分析了獨柱單支承上部結(jié)構(gòu)傾覆破壞特征，其次根據(jù)其破壞特征提出獨柱單支承上部結(jié)構(gòu)傾覆穩(wěn)定性的計算方法，最后結(jié)合本計算方案對一座獨柱單支承現(xiàn)澆梁橋進行穩(wěn)定性評價。

2 獨柱單支承上部結(jié)構(gòu)傾覆破壞特征分析[2]

獨柱單支承上部結(jié)構(gòu)在偏心荷載作用下，墩柱及基礎所受橫向彎矩和水平剪力逐漸增大，當其超出承載力時，基礎或墩柱將發(fā)生破壞，從而導致主梁整體傾覆。此類傾覆穩(wěn)定性主要依賴于基礎和中墩的受力特性，其傾覆穩(wěn)定性的驗算最終歸結(jié)為中墩及其基礎的強度及穩(wěn)定性驗算，可采用公路規(guī)范的荷載組合及相應驗算內(nèi)容。中墩鉸接的獨柱單支承上部結(jié)構(gòu)(直線橋)在偏心荷載作用下，邊支座可能出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，導致上部結(jié)構(gòu)體系發(fā)生轉(zhuǎn)換，隨荷載增加，橋梁將無法再次達到平衡狀態(tài)，從而發(fā)生上部結(jié)構(gòu)整體傾覆。其在整個傾覆過程中主梁旋轉(zhuǎn)軸基本不變，邊支座脫空后經(jīng)過很短的時間即發(fā)生整體傾覆破壞。中墩鉸接的獨柱單支承上部結(jié)構(gòu)(曲線橋)在偏心荷載作用下，邊支座首先出現(xiàn)脫空，從而結(jié)構(gòu)主梁支承體系發(fā)生變化，隨著荷載增加，結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成新的平衡狀態(tài)，當荷載增量導致不能再次達到平衡狀態(tài)，或因中墩支座破壞導致結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)強度破壞時，橋梁將發(fā)生整體傾覆，一般情況下，中墩支座破壞較早發(fā)生。

3 獨柱單支承梁式橋傾覆穩(wěn)定性計算方法

3.1 驗算荷載工況

工況一：公路—Ⅰ級車道荷載；工況二：1.3倍公路—Ⅰ級車道荷載；工況三：規(guī)范55 t車輛荷載，車隊縱向兩車前后軸的軸距為10 m，即車隊縱向兩車的中心距為22.8 m；工況四：1.3倍工況三荷載。

3.2 橋梁上部結(jié)構(gòu)抗傾覆驗算方法

獨柱單支承上部結(jié)構(gòu)在驗算橋梁整體抗傾覆穩(wěn)定性時，需驗算在汽車荷載偏載情況下橋梁支座是否發(fā)生脫空情況。

JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范中9.7.4條中只有禁止支座脫空的描述，并沒有對上部結(jié)構(gòu)傾覆穩(wěn)定性的相關(guān)規(guī)定。

JTG D62-2012公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范征求意見稿4.1.9條規(guī)定：

獨柱單支承結(jié)構(gòu)梁橋應進行上部結(jié)構(gòu)抗傾覆驗算。且抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)應滿足如下要求：

γqf=Sbk/Ssk≥2.5。

其中，γqf為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；Sbk為上部結(jié)構(gòu)傾覆的汽車荷載標準值效應(含沖擊作用)；Ssk為上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用效應標準組合。根據(jù)結(jié)構(gòu)傾覆不先于設計汽車荷載、實際運營汽車荷載與結(jié)構(gòu)延性破壞的相互關(guān)系，明確獨柱單支承上部結(jié)構(gòu)的橋梁抗傾覆系數(shù)不應小于2.5。在獨柱單支承上部結(jié)構(gòu)傾覆過程分析中，傾覆的初期是橋臺支座脫空，此時結(jié)構(gòu)體系會發(fā)生變化，甚至會使結(jié)構(gòu)變化為機動體系，因此在作用標準值組合下不應出現(xiàn)支座脫空(汽車荷載考慮沖擊作用)。

4 應用算例

4.1 設計概況

阿房宮互通式立交為西安繞城高速公路與西寶高速西安至興平段交叉所設樞紐立交。立交H匝道承擔繞城高速上西寶高速寶雞方向的車輛通行，路基寬度12 m，設計速度40 km/h。

H匝道橋第三聯(lián)采用現(xiàn)澆箱梁上跨F匝道，夾角僅為31°，為減小跨徑，將中墩設置為獨柱墩，分隔墩為雙柱墩，平面位于緩和曲線上，需要進行抗傾覆驗算。

支座平面布置圖見圖1，平面布置圖見圖2。

4.2 計算模型

采用空間有限元程序MIDAS/Civil2010進行驗算，依據(jù)剪力—柔性梁格理論建立空間梁格模型，計算模型簡圖如圖3所示。

4.3 箱梁抗傾覆驗算

通過MIDAS程序計算得出支座恒載反力和活載不同工況下的最大、最小反力，并對支座反力進行組合，驗算支座在最小反力組合下是否出現(xiàn)負反力即脫空現(xiàn)象。

4.3.1 沖擊系數(shù)的計算

該聯(lián)橋的基頻為4.33 Hz，根據(jù)公式μ=0.176 7lnf-0.015 7，計算得出沖擊系數(shù)為0.243。

4.3.2 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計算

經(jīng)計算，各工況作用下橋梁傾覆系數(shù)如表1所示。

表1 各工況作用下橋梁傾覆系數(shù)

4.4 驗算結(jié)果

1)根據(jù)恒載和汽車荷載的計算結(jié)果，該聯(lián)橋的支座在四種工況作用標準值組合下均未產(chǎn)生負反力，不會發(fā)生支座脫空的現(xiàn)象。2)該聯(lián)橋在四種工況下抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均遠遠大于2.5，滿足上部結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定的要求。

5 結(jié)語

獨柱墩單支撐梁式橋外形簡潔輕巧、橋下占用空間小，橋梁整體美觀。但此橋梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性較差，上部結(jié)構(gòu)易發(fā)生整體傾覆。橋梁傾覆破壞類似于脆性破壞，一旦發(fā)生，破壞嚴重，且會產(chǎn)生特別惡劣的社會影響。因此，此類橋梁上部結(jié)構(gòu)傾覆穩(wěn)定性的計算應引起相關(guān)從業(yè)人員的高度重視。

[1] 梁 峰.三跨獨柱連續(xù)梁橋抗傾覆能力研究[J].公路，2009,10(10)：40-43.

[2] 占玉林，趙人達.連續(xù)彎梁橋特性分析[J].四川建筑，2004(2)：42-43.

The checking analysis and application of anti overturning stability of single column single support upper structure

HUO Jun-hui SUN Hai-xia

(Shannxi Communications Planning and Design Institute, Xi’an 710075, China)

According to the structural stress characteristics, analysis of single column single support beam bridge overturning failure characteristics, determined the calculation method is suitable for calculation of single column supported beam bridge of overturning stability, and combining with the example, made stability evaluation to a single column single support cast-in-place girder bridge, design and repair for the similar bridge reinforcement reference.

single column, single support, antioverturning, stability, checking analysis

1009-6825(2014)31-0065-02

2014-08-28

霍軍會(1982- )，男，工程師； 孫海霞(1982- )，女，工程師

TU311.2

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