獨柱墩箱梁橋抗傾覆性能的比較分析

黃小峰 張 杰

(河南省交通規劃勘察設計院有限責任公司，河南 鄭州 450052)

獨柱墩箱梁橋抗傾覆性能的比較分析

黃小峰 張 杰

(河南省交通規劃勘察設計院有限責任公司，河南 鄭州 450052)

從JTG D62中國公路橋梁規范(討論稿)對結構抗傾覆穩定要求的相關條文出發，通過對獨柱墩箱梁橋孔布置、支座設置、橋面寬度、曲線半徑等影響參數進行有限元數值分析，得到了獨柱墩箱梁橋抗傾覆穩定安全系數和支座應力隨以上參數改變而變化的規律，并以此得出了其抗傾覆穩定設計的相關結論。

獨柱墩，傾覆，穩定系數，影響因素

獨柱墩箱梁橋下部結構構造簡單、行車視線開闊且建設占地少、費用經濟。在很多互通立交跨線橋的空間位置受到限制的情況下，通常成為最優橋型選擇。但其也有一定的結構受力缺點，因為獨柱墩在橫橋向采用單支點支撐，故在汽車偏載作用下，對結構的橫向抗傾覆穩定不利，容易造成支座脫空、支座不均勻壓縮引起梁體整體偏移等，具有一定的安全隱患。目前，道路超載運輸現象較為普遍，加之橋梁規范對橋梁傾覆計算規定不明確，導致盡管橋梁設計滿足規范要求，但實際處于運營期的橋梁卻多發生傾覆事故。這既有超載的原因，也有獨柱墩設計考慮不足的問題。本文從獨柱墩橋梁設計需滿足JTG D62中國公路橋梁規范(討論稿)對結構抗傾覆穩定要求的相關條文出發，對獨柱墩的橋孔布置、支座設置、橋面寬度、曲線半徑等與獨柱墩的抗傾覆穩定性相關的幾個因素進行計算比較。得出各種因素對獨柱墩橋抗傾覆能力的影響，從而為獨柱墩箱梁橋的設計提供一些參考[1,2]。

1 抗傾覆穩定性的判斷準則[3]

國內外的橋梁規范中，對橋梁結構偏載作用下側向傾覆失穩問題均未明確的定義和要求，不過對此類問題均有相關的表述，但不盡相同。JTG D62—2012公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范(討論稿)第4.1.10規定，橋梁上部結構抗傾覆穩定驗算應在作用標準值組合(汽車荷載考慮沖擊作用)下滿足下式要求：1)Kqf=Sbk/Ssk>2.5,其中，Kqf為抗傾覆穩定系數；Sbk為使上部結構傾覆的汽車荷載(含沖擊作用)標準值效應；Ssk為使上部結構穩定的作用效應標準組合。2)單向受壓支座不應處于脫空狀態。雖然國內外都提出相應的要求，但是不外乎有兩個判斷準則：1)遠離偏載側的支座的支反力受力大小。2)結構自身的抗傾覆力矩是否大于偏載的傾覆力矩。前者是橋梁結構支撐的邊界條件，后者是結構在活載下受力平衡問題。橋梁抗傾覆穩定性可以從這兩個方面加以判別。

2 抗傾覆穩定系數的計算方法[4]

假設在計算受力時，不考慮箱梁變形對受力的影響。箱梁橋的傾覆是剛體在平面不平衡受力條件下的轉動。在重載偏載交通下獨柱墩箱梁橋的傾覆過程為梁端一側支座先脫空，然后其他支座依次脫空，最終當剩余支座處于一條直線之上時橋梁傾覆，因此傾覆軸可以定義為最后剩余未脫空支座的連線，且這些支座必須位于同一條直線上，傾覆軸外側再無支點。如圖1所示，否則將形成三足鼎立的穩定平衡狀態。從圖1可以看出，傾覆平衡狀態的確定跟曲率半徑、跨徑、橋孔數、橋臺支點間距等因素有關。

確定傾覆軸后，即可按下式計算箱形截面獨柱墩橋的抗傾覆穩定系數：

(1)

其中，RGi為成橋恒載狀態下各支座反力；xi為各支座到傾覆軸線的垂直距離；μ為沖擊系數；qk為車道荷載中的均布線荷載；y(x)為車道均布線荷載到傾覆軸線的距離；Pk為車道集中荷載；e為加載車道中心線距傾覆軸線的最大垂直距離。

對于支座最小壓應力的計算：

(2)

滿足σ≥0。其中，σ為壓應力；σc為支座使用階段的平均壓應力；R為支座半徑；r為點到支座中心的距離；Rck為支座壓力標準值，汽車荷載應計入沖擊系數；Ae為支座有效承壓面積(承壓加勁鋼板面積)。

3 抗傾覆穩定性影響因數分析[5，6]

1)建立模型。根據常規獨柱墩箱梁橋設計參數，選擇三類最具代表性的橋梁進行抗傾覆穩定性分析研究，模型1為6×20 m、模型2為4×30 m、模型3為4×25 m的(n×L)型的預應力混凝土獨柱墩箱梁橋。三類模型支撐形式均采用盆式橡膠支座，梁高分別為1.4 m，1.8 m,1.6 m，計算分析模式如圖2所示。計算采用通用空間有限元分析軟件Midas Civil 2010建立三類模型的成橋狀態，提取支座反力，按照JTG D62—2012規范(討論稿)要求進行穩定驗算。在公路—Ⅰ級、密集55 t車列和超載車輛(3輛125 t貨車)3種荷載工況下按照式(1)和式(2)分別計算的抗傾覆穩定系數和支座應力，并進行比較分析。

2)橋跨設置。根據橋梁跨度、線形、荷載等要求，可以將獨柱墩橋布置多跨連續梁等形式。以橋寬8.5 m，支座間距4 m在直線上的橋布置成6×20 m,4×30 m,4×25 m連續梁為例，分析橋跨布置對其抗傾覆能力的影響。從表1可以看出，獨柱墩直線箱梁橋抗傾覆穩定系數對梁長的變化不敏感，且不同梁長其系數基本一致。相同梁長，跨徑越大，抗傾覆穩定系數越大。從表2可以看出，在恒載和活載下支座不脫空，但是支座應力是隨跨徑的增大而增大。對于直線橋來說，公路—Ⅰ級作為驗算活載明顯是偏不安全。密集55 t車列驗算可以考慮作為設計驗算荷載，超載車輛當成傾覆極限狀態來驗算。

表1 抗傾覆穩定系數計算結果(一)

活載工況6×20m4×30m4×25m傾覆力矩/kN抗傾覆穩定系數K傾覆力矩/kN抗傾覆穩定系數K傾覆力矩/kN抗傾覆穩定系數K公路—Ⅰ級1538．422．91538．424．61358．723．0密集55t車3675．89．63675．810．32878．410．9超載車輛3012．111．73012．112．62937．210．6

表2 偏載作用下支座應力計算結果(一)

3)橋臺支座間距。橋梁在橫橋向可以布置成單支座、雙支座或多支座形式。獨柱墩橋梁采用橋臺雙支設置，中間獨柱墩采用單支座。以一個寬8.5 m，在直線上的6 m×20 m橋，來比較不同的橋臺支座間距對其抗傾覆能力的影響。

表3 抗傾覆穩定系數計算結果(二)

表4 偏載作用下支座應力計算結果(二)

從表3可以看出，在其他條件不變的情況下，隨著橋臺支座間距的增大，傾覆力矩逐漸減小，抗傾覆穩定系數逐漸增大。表明隨著橋臺支座間距的增加，結構抗傾覆效應逐漸增強，安全性能明顯提高。從表4可以看出，橋臺臺支反力隨著支座的間距的加大，分配更加均勻了。當達到極限狀態時，活載作用范圍始終在橋臺支座連線的范圍內時，橋梁將不會發生傾覆。

4)橋梁寬度。為了分析橋寬度對獨柱墩橋抗傾覆能力的影響，分別取寬度B=8.5 m，10.5 m，12 m，截面的懸挑長度分別為1.5 m，2 m，2.5 m。支座橫向間距取為橋寬度的1/2，采用4×30 m等跨連續梁布置。從表5，表6和荷載作用傾覆示意圖可知，在其他條件相同的情況下，橋寬度越大，傾覆荷載作用范圍與獨柱墩橋橋面總的作用面積的比值越小，表明匝道橋抗傾覆的能力越強，安全性越高。再次反映出橋臺支座間距對抗傾覆力矩顯著的影響。同時說明在設計時懸挑長度不宜過長。

表5 抗傾覆穩定系數計算結果(三)

表6 偏載作用下支座應力計算結果(三)

5)平面曲線半徑。獨柱墩箱梁橋線形可以是曲線，下面以不同半徑圓曲線的曲線橋來分析曲率半徑對獨柱墩箱梁橋抗傾覆能力的影響。以橋跨為4×30 m，寬10.5 m，橋臺支座間距4 m的箱梁橋為例。從表7，表8可以看出，隨著半徑R逐步減小。曲線橋抗傾覆穩定系數逐步提高。即橋越彎越不容易整體傾覆。大半徑曲線梁橋即微彎橋，其抗傾覆穩定系數最小，其次是直線橋，最后是小半徑曲線梁橋。

表7 抗傾覆穩定系數計算結果(四)

表8 偏載作用下支座應力計算結果(四)

除上述因素外，影響箱梁橋抗傾覆能力的因素還有汽車產生的離心力和沖擊力以及橋梁結構的截面重心高度。同時下部結構的強度也對其有著重要的影響。

4 結論與建議

通過對各個參數影響下獨柱墩連續箱梁橋抗傾覆穩定的驗算和分析，得到以下結論，為今后相近橋梁設計提供一些參考：

1)在設計獨柱墩箱梁橋時必須進行抗傾覆穩定驗算，尤其是橋墩全部為獨柱墩形式的窄橋。驗算荷載應采用偏安全的密集車列。2)橋臺支座間距直接關系到整個橋梁的抗傾覆穩定性。對于設置雙支座的箱梁，應盡量加大支座橫向距離或者在梁端內側采用拉壓雙向支座。對于橋寬在8 m～12 m獨柱墩箱梁橋橋臺支座間距可取1/3～1/2的橋寬。3)對于4×25 m獨柱墩連續箱梁橋(橋寬10.5 m)而言，半徑約處于200 m～500 m范圍時抗傾覆能力較弱，處于其他較大半徑或較小半徑時橋梁抗傾覆相對有利，但曲率半徑越小，獨柱墩橋梁抗傾覆穩定安全系數對梁長的變化越敏感。4)獨柱墩箱梁橋位于傾覆軸線上的支座應力均較成橋狀態下的支座應力大幅度提高，提高幅度為50%以上，其中獨柱墩越多，提高越大。相反，不在傾覆軸線上的支座的應力減小，降低幅度10%以上，當設置連續獨柱墩三、四跨時，降低幅度達到50%左右。

5 有待進一步研究的問題[7-9]

從獨柱墩箱梁的抗傾覆穩定性能的設計計算中可以看出，獨柱墩箱梁橋抗傾覆穩定設計驗算需要進一步分析研究以下問題：1)需要建立考慮彈性扭轉變形的抗傾覆穩定系數的計算公式。2)應對偏載下的驗算荷載做進一步研究。3)對箱梁橋傾覆過程中支座的受力性能和支座與箱梁間的相互作用應進行深入研究。4)需要對橋梁的抗傾覆穩定安全評價指標體系進行系統全面的研究。

[1] 王海豐.連續箱梁橋抗傾覆穩定性分析[J].北方交通，2013(2)：53-56.

[2] 向 紅，曾 愛.高速公路匝道橋抗傾覆能力研究[J].北方交通，2013(9)：45-49.

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

[4] 姜愛國，楊 志.獨柱墩曲線梁橋傾覆軸線研究[J].世界橋梁，2013,41(4)：58-61.

[5] 於文超，陳帝江.獨柱墩直線梁與曲線梁抗傾覆穩定性對比分析[J].公路交通技術，2013,10(5):71-74.

[6] 姚玉強，張 磊，張 楊.中小跨徑連續梁橋箱梁抗傾覆計算研究[J].西南公路，2013(1)：64-67.

[7] 莊冬利.偏載作用下箱梁橋抗傾覆穩定問題的探討[J].橋梁建設，2014，44(2)：27-30.

[8] 曹 景，劉志才，馮希訓.箱形截面直線橋及曲線橋抗傾覆穩定性分析[J].橋梁建設,2011，44(3):69-74.

[9] 陳 瑤，陳露嘩，張建華.獨柱墩橋梁抗傾覆穩定驗算方法及參數影響分析[J].浙江交通職業技術學院學報，2013，14(3)：1-6.

Comparative analysis of overturning performance of single column pier box girder bridge

Huang Xiaofeng Zhang Jie

(HenanProvinceCommunicationsPlanningSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,Zhengzhou450052,China)

From the relevant provisions of the stability requirements of the structure to resist overturning inChineseHighwayBridgeDesignCode(JTG D62 draft), by means of finite element analysis for the influence of parameters of single column pier box girder span layout, support set, the width of the deck, the curve radius, then get the safety factor of stability and bearing stress with the change of the above parameters of single column pier box girder overturning, and concludes the relevant conclusions of the anti overturning stability design.

single-column pier, overturning, stability coefficient, influencing factors

2015-03-28

黃小峰(1985- )，男，碩士，助理工程師; 張 杰(1987- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)16-0177-03

U448.213

A