獨柱墩連續彎梁橋抗傾覆穩定影響因素分析?

殷新鋒，楊小旺，豐錦銘，李萊

（長沙理工大學土木與建筑學院，湖南　長沙　410004）

獨柱墩連續彎梁橋抗傾覆穩定影響因素分析?

殷新鋒，楊小旺，豐錦銘，李萊

（長沙理工大學土木與建筑學院，湖南長沙410004）

以某獨柱墩三跨連續彎箱梁橋為背景，采用有限元軟件建立不同參數彎橋分析模型，分析了曲率半徑、橋梁跨數、梁端雙支座間距等因素對彎梁橋抗傾覆穩定性的影響。結果表明，曲率半徑、橋梁長度和梁端雙支座間距對彎梁橋抗傾覆穩定性影響很大，增加曲率半徑、橋梁跨數和梁端雙支座間距可減小彎梁橋發生整體傾覆的可能，提高橋梁抗傾覆能力。

橋梁；獨柱墩；連續彎梁橋；曲率半徑；橋梁跨數；梁端雙支座間距

獨柱墩連續彎梁橋因其橋下占用空間小、整體結構美觀、能很好地適應地形限制、保持路線線形流暢的特點而被廣泛應用于城市高架橋梁和高速公路匝道橋梁。但由于獨柱墩通常只設置單支座，在汽車偏載作用下，對橋梁結構的橫橋向抗傾覆穩定性非常不利。近年國內發生了多起彎梁橋傾覆事故， 如2009年7月津晉高速公路港塘收費站外連續獨柱墩匝道橋因3輛嚴重超載車輛為避讓前方逆行車輛而偏離行車道密集停置導致橋梁傾覆，2015年6月粵贛高速公路廣州往河源方向城南出口連續獨柱墩匝道橋因車輛載重過大使橋面受力嚴重偏向曲線外側而導致橋梁傾覆，這些事故的出現引起了很多橋梁工作者的關注。徐振、任艾柱等釆用有限元程序建立虛擬場景模擬橋梁傾覆，對傾覆橋梁的內力和位移進行了研究；劉德華等分析了支座預偏心對曲線箱梁端部內外側支座反力分配的影響；Bryant G.Nielson研究了地震激勵下橋梁支座的受力機制與響應特性。以上研究尚未對曲率半徑、橋梁長度和梁端雙支座間距對彎梁橋抗傾覆穩定性能的影響作系統總結。該文以某高速公路三跨獨柱墩彎梁橋為工程背景，分別建立不同曲率半徑和不同跨數彎橋有限元模型，并調整彎梁橋梁端雙支座間距，計算這些橋型的抗傾覆穩定系數，為獨柱墩連續彎梁橋設計提供參考。

1　橋梁抗傾覆計算依據

箱梁橋傾覆過程是在汽車荷載的偏載作用下，單向受壓支座依次脫空，由邊界條件失效而失去平衡的過程。

《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（征求意見稿）規定：采用整體式斷面的中小跨徑梁橋應進行上部結構抗傾覆驗算，上部結構抗傾覆穩定系數應滿足下式要求：

式中：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。

傾覆軸線為汽車荷載作用下結構發生傾覆時繞支點的旋轉軸線。對彎橋來說，傾覆軸線隨曲線半徑和橋梁跨徑不同而變化，選擇不同的支點連線，可能有不同的傾覆軸線。當跨中橋墩全部支座位于橋臺外側支座連線內側時，傾覆軸線為橋臺外側支座連線；當跨中橋墩全部支座位于橋臺外側支座連線外側時，傾覆軸線為跨中橋墩支座連線或外側橋臺支座與跨中橋墩支座連線。箱梁的抗傾覆穩定系數的計算公式如下：

式中：RGi為成橋狀態時各支座的支反力；xi為各支座到傾覆軸線的垂直距離；μ為橋梁結構沖擊系數； qk為公路-Ⅰ級車道荷載中均布荷載；Ω為傾覆軸線與橫向加載車道圍成的面積；pk為車道荷載中集中荷載；e為橫向最不利加載車道到傾覆軸線垂直距離的最大值。

沖擊系數參照JTG D60-2004《公路橋涵設計通用規范》，采用有限元軟件計算橋梁基頻后得到。計算公式如下：

式中：f為箱梁橋的固有振動頻率（Hz）。

2　有限元模型的建立

以跨徑（20+25+20）m、曲率半徑R=400 m、梁端雙支座間距為5 m的獨柱墩彎梁橋為工程背景進行分析。該橋為等截面預應力砼連續箱梁橋，梁高1.5 m，橋面寬度12 m，箱梁底寬7.5 m。圖1為該橋跨中橫斷面示意圖。

圖1　某獨柱墩彎梁橋跨中截面橫斷面（單位：m）

采用結構分析軟件MIDAS/Civil分別建立固定跨數（20+25+20）m下不同曲率半徑R=50、100、200、400 m和固定曲率半徑400 m下不同跨數（20+2×25+20、20+3×25+20、20+4×25+20、20+5×25+20）m連續彎梁橋有限元模型（見圖2 ～3），通過調整梁端雙支座間距，對比分析曲率半徑、橋梁長度、梁端雙支座間距等因素對彎梁橋抗傾覆穩定性的影響。

圖2　固定跨數時不同曲率半徑連續彎梁橋計算模型

圖3　固定曲率半徑時不同跨數連續彎梁橋計算模型

計算中考慮恒載、支座不均勻沉降、溫度和活載的作用。荷載參數取值如下：

（1）恒載。砼容重26 k N/m3，橋面鋪裝8～15 cm，單側護欄每延米重10.5 k N/m。

（2）支座不均勻沉降按8 mm計算。

（3）溫度荷載按JTG D60-2004《公路橋涵設計通用規范》規定計算。

（4）活載。為公路-Ⅰ級雙車道荷載，按照JTG D60-2004《公路橋涵設計通用規范》規定采用橫向最不利偏外側加載，傾覆最不利加載車道中心線距橋梁曲線外側邊緣1.9 m。

3　抗傾覆穩定影響因素分析

3.1曲率半徑的影響

以跨徑（20+25+20）m、曲率半徑R=400 m、梁端雙支座間距5 m的某獨柱墩彎梁橋為例，通過調整曲率半徑（R=50、100、200、400 m）來分析其對彎梁橋抗傾覆穩定性的影響。

3.1.1沖擊系數計算

不同曲率半徑彎梁橋的沖擊系數見表1。

表1　不同曲率半徑彎梁橋的沖擊系數

3.1.2最不利傾覆加載范圍面積計算

不同曲率半徑橋梁最不利傾覆加載影響范圍見圖4中陰影部分，傾覆面積與偏心距見表2。

3.1.3抗傾覆穩定系數計算

不同曲率半徑連續彎梁橋傾覆計算參數見表3 ～4，抗傾覆穩定系數計算結果見表5，抗傾覆穩定系數與曲率半徑的關系見圖5。

圖4　固定跨數時不同曲率半徑連續彎梁橋傾覆范圍

表2　不同曲率半徑彎梁橋傾覆面積與偏心距

表3　不同曲率半徑彎梁橋支座到傾覆軸線的垂直距離m

由表5可知：不同曲率半徑橋梁的抗傾覆穩定系數均滿足規范要求。

表4　橫載作用下不同曲率半徑彎梁橋支座反力

表5　不同曲率半徑彎梁橋抗傾覆穩定系數計算結果

圖5　彎梁橋抗傾覆穩定系數與曲率半徑的關系

由圖5可知：當曲率半徑為50～200 m時，連續彎梁橋抗傾覆穩定系數隨曲率半徑的增大而逐漸減小；當曲率半徑為200～400 m時，連續彎梁橋抗傾覆穩定系數隨曲率半徑的增大而逐漸增大，曲率半徑較大的橋梁抗傾覆能力較強。

3.2跨數的影響

以上述獨柱墩彎梁橋為例，通過調整橋梁跨數（20+2×25+20、20+3×25+20、20+4×25+20、20+5×25+20）m來分析其對彎梁橋抗傾覆穩定性的影響。

3.2.1沖擊系數計算

不同跨數彎梁橋的沖擊系數計算結果見表6。

表6　不同跨數彎梁橋的沖擊系數

3.2.2 最不利傾覆加載范圍面積計算

不同跨數橋梁最不利傾覆加載影響范圍見圖6中陰影部分，傾覆面積與偏心距見表7。

圖6　固定半徑時不同跨數連續彎梁橋傾覆范圍

表7　不同跨數彎梁橋傾覆面積與偏心距

3.2.3抗傾覆穩定系數計算

不同跨數橋梁抗傾覆穩定系數計算參數見表8 ～11，不同跨數彎梁橋的抗傾覆穩定系數計算結果見表12，彎梁橋抗傾覆穩定系數與橋梁跨數的關系見圖7。

表8　四跨彎梁橋抗傾覆穩定系數計算參數

表10　六跨彎梁橋抗傾覆穩定系數計算參數

表11　七跨彎梁橋抗傾覆穩定系數計算參數

由表12可知：不同跨數彎梁橋的抗傾覆系數均滿足規范要求。

表12　不同跨數彎梁橋抗傾覆穩定系數計算結果

圖7　彎梁橋抗傾覆穩定系數與跨數的關系

由圖7可知：當橋梁跨數為4～7跨時，彎梁橋抗傾覆穩定系數隨跨數增多而逐漸增大，跨數較多的橋梁抗傾覆能力較強。

3.3梁端雙支座間距的影響

以上述獨柱墩彎梁橋為例，通過調整梁端雙支座間距（4.5、4、3.5、3 m）來分析其對彎梁橋抗傾覆穩定性的影響。

3.3.1沖擊系數計算

不同梁端雙支座間距彎梁橋的沖擊系數計算結果見表13。

表13　不同梁端雙支座間距彎梁橋的沖擊系數

3.3.2最不利傾覆加載范圍面積計算

不同梁端雙支座間距彎梁橋最不利傾覆加載影響范圍見圖8中陰影部分，傾覆面積與偏心距見表14。

3.3.3抗傾覆穩定系數計算

不同梁端雙支座間距彎梁橋抗傾覆穩定系數計算參數見表15，不同梁端雙支座間距彎梁橋抗傾覆穩定系數計算結果見表16，彎梁橋抗傾覆穩定系數與梁端雙支座間距的關系見圖9。

圖8　不同梁端雙支座間距連續彎梁橋傾覆范圍

表14　不同梁端雙支座間距彎梁橋傾覆面積與偏心距

由表16可知：當梁端雙支座間距為3 m時，彎梁橋的抗傾覆穩定系數不滿足規范要求，其他橋型的抗傾覆穩定系數均滿足規范要求。

由圖9可知：隨梁端雙支座間距的增大，連續彎梁橋抗傾覆能力逐漸增強，即梁端雙支座間距較大的橋梁抗傾覆能力較強。

4　結論與建議

該文以一座三跨連續彎梁橋為工程背景，建立了不同曲率半徑和不同跨數彎梁橋有限元模型，通過調整原設計橋型的梁端雙支座間距和獨柱墩單支座偏心距，分析了影響獨柱墩連續彎梁橋抗傾覆穩定性的因素，得出以下結論：

表15　不同梁端雙支座間距彎梁橋抗傾覆穩定系數計算參數

表16　不同梁端雙支座間距抗傾覆穩定系數計算結果

圖9　彎梁橋抗傾覆穩定系數與梁端雙支座間距的關系

（1）當曲率半徑大于200 m時，相同跨數下獨柱墩彎梁橋的抗傾覆能力隨著曲率半徑的增大而逐漸增強。

（2）當橋梁長度大于90 m時，相同曲率半徑下獨柱墩彎梁橋的抗傾覆能力隨著橋梁跨數的增多而逐漸增強。

（3）在彎梁橋曲率半徑和跨數固定的情況下，增大梁端雙支座間距可提高橋梁的抗傾覆能力。

對于獨柱墩連續彎梁橋，設計人員應仔細進行抗傾覆穩定性驗算，必要時可增加曲率半徑、橋梁跨數和梁端雙支座間距等影響因素驗算，以提高連續彎梁橋的抗傾覆能力。

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U448.21

A

1671-2668（2016）01-0156-06

2015-10-30

國家自然科學基金項目（51108045）；湖南省高校創新平臺開放基金項目（13k051）