連續(xù)箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定性分析

李 巍

（遼寧省交通科學(xué)研究院 沈陽(yáng)市 110015）

連續(xù)箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定性分析

李 巍

（遼寧省交通科學(xué)研究院 沈陽(yáng)市 110015）

汲取獨(dú)柱墩橋梁傾覆事故的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，采用有限元軟件Midas對(duì)京哈高速公路杏山樞紐立交改建工程A匝道第三聯(lián)（4×25m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋）進(jìn)行建模分析計(jì)算，對(duì)其施加各類極限工況下的橋面荷載，并調(diào)整布載方式，分析此類橋梁的抗傾覆能力，提出相關(guān)驗(yàn)算方法，討論與連續(xù)箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定性的相關(guān)因素。

連續(xù)箱梁橋；抗傾覆穩(wěn)定性；有限元分析；Midas

1 引言

獨(dú)柱墩橋梁在偶然極限偏心荷載作用下，往往可能會(huì)發(fā)生橋梁整體橫向失穩(wěn)，近年來(lái)發(fā)生的各類獨(dú)柱墩橋梁橫向失穩(wěn)事故，使橋梁設(shè)計(jì)人員更偏向于選擇雙柱墩乃至三柱墩式橋梁，拋棄以往的獨(dú)柱墩橋梁設(shè)計(jì)方案，但連續(xù)箱梁橋在多柱墩支撐下其抗傾覆能力究竟有多少提高，橋梁結(jié)構(gòu)能否滿足偏心荷載作用下抗傾覆穩(wěn)定性要求，尚未有大量相關(guān)研究與計(jì)算分析。

本文以某四跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋?yàn)槔糜邢拊浖﨧idas/Civil2010對(duì)其進(jìn)行了有限元建模分析，通過(guò)對(duì)其施加各類極限最不利荷載，計(jì)算該橋梁抗傾覆穩(wěn)定性能力，綜合計(jì)算結(jié)果，提出對(duì)此類橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的建議［1］。

2 工程實(shí)例

2.1工程概況

杏山樞紐立交改建工程A匝道橋第三聯(lián)，位于京哈高速公路杏山樞紐互通式立交區(qū)內(nèi)，橋梁設(shè)計(jì)角度為90°，8、9#橋墩平行于中分帶布置，設(shè)計(jì)交角113°，跨徑布置為：（24.96+25+25+24.96）m。該橋梁為預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋，設(shè)計(jì)荷載為公路I級(jí)，橋面凈寬14.0m，設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)，環(huán)境類別為II級(jí)［2］。

本橋位于R=280m左偏圓曲線內(nèi)，箱梁截面為單箱雙室截面，箱梁梁高為150cm，箱梁頂板寬1495cm，底板寬 1100cm，翼緣懸臂長(zhǎng)度 197.5cm。箱梁頂板寬度在支點(diǎn)處為45cm，跨中梁段為25cm；箱梁底板厚度在支點(diǎn)處為45cm，跨中附近梁段范圍為25cm；腹板厚度在支點(diǎn)附近梁段范圍內(nèi)為80cm，跨中附近梁段范圍內(nèi)為50cm，腹板漸變長(zhǎng)度為400cm。

全橋預(yù)應(yīng)力鋼束采用低松弛鋼絞線，公稱直徑15.2mm（7Φ5.0），公稱面積140.0mm2，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1860MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，其技術(shù)性能應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》（GB/T 5224-2003）的要求。預(yù)應(yīng)力鋼束采用兩端張拉，張拉控制應(yīng)力為1395MPa。

全橋采用圓柱墩，連續(xù)墩采用1.3m雙柱，接1.5m樁基。橋面鋪裝為8cm的C50水泥混凝土鋪裝和10cm的瀝青混凝土鋪裝，瀝青混凝土與水泥混凝土之間設(shè)防水層。

2.2判定標(biāo)準(zhǔn)

抗傾覆驗(yàn)算：

給出在各類荷載工況下的上部結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)。抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)驗(yàn)算暫按新版《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（總校稿）要求進(jìn)行。

橋梁上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)滿足以下要求：

式中：kdf—抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；

Sbk—使上部結(jié)構(gòu)傾覆的汽車荷載（含沖擊作用）標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)；

Ssk—使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合。荷載僅布置于橋梁傾覆軸線的一側(cè)，傾覆軸線與加載區(qū)域布置如圖2所示。

2.3施加荷載工況

全橋箱梁采用Midas/Civil2010程序進(jìn)行縱橋向內(nèi)力分析和配束，結(jié)構(gòu)采用部分預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件設(shè)計(jì)，連續(xù)箱梁設(shè)計(jì)時(shí)參照交通部部頒標(biāo)準(zhǔn)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）考慮了箱梁有效翼緣寬度［3］，頂板升降溫參照交通部部頒標(biāo)準(zhǔn)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）中有關(guān)條款信息，箱梁各項(xiàng)受力指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

（1）自重：箱梁采用 50#混凝土，自重按ρ= 26kN/m3計(jì)算；

（2）設(shè)計(jì)荷載：公路I級(jí)；

（3）汽車沖擊系數(shù)：程序自動(dòng)計(jì)算；

（4）基礎(chǔ)變位：不均勻沉降0.5cm，按最不利工況進(jìn)行組合；

（5）溫度梯度：按10cm瀝青鋪裝考慮溫度梯度，正溫差：T1=14.0℃，T2=5.5℃；反溫差：T1=-7.0℃，T2=-2.75℃；

（6）二期恒載：?jiǎn)蝹?cè)防撞墻 q=12.01kN/m，鋪裝q=61.6kN/m。

除上述荷載，連續(xù)箱梁計(jì)算極限組合計(jì)入預(yù)應(yīng)力二次力矩、收縮徐變等作用。

本次建模計(jì)算中車輛荷載采用以下2種工況：

工況1：《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01-2014）公路-I級(jí)荷載；

工況2：重車自定義荷載，考慮車輛超載情況（分別取超載30%、50%、100%），按規(guī)范車輛荷載（55t）車列布載，前車與后車凈距為1.0m［4］。

針對(duì)以上兩種工況對(duì)A匝道第三聯(lián)進(jìn)行抗傾覆計(jì)算。

2.4有限元模型

全橋采用Midas/Civil2010建立有限元模型，模型采用懸臂法建模助手建立，建模過(guò)程為：定義初始材料特性及初始界面特性→采用懸臂法建模助手初始化模型→采用PSC橋梁建模助手細(xì)化初始模型→預(yù)應(yīng)力鋼束布置→定義荷載、邊界條件及施工階段→模型完成［5］，完成的有限元模型如圖7。

全橋有限元模型共有249個(gè)節(jié)點(diǎn)，115個(gè)桿單元，C50混凝土收縮徐變采用China《JTG D62-2004》，抗壓強(qiáng)度采用歐洲規(guī)范《CEB-FIP》。縱橋向預(yù)應(yīng)力鋼束共104組，對(duì)于小半徑的曲線橋梁，當(dāng)橋梁處于圓曲線范圍內(nèi)，應(yīng)當(dāng)采用“2D+圓弧+曲線”的模式定義鋼束形狀，這樣才能保證鋼束的平彎定義符合實(shí)際情況，保證分析計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確。

模型中邊界條件含123個(gè)彈性連接，5個(gè)剛性連接，滿堂支架采用節(jié)點(diǎn)代替，為全約束。施工中的臨時(shí)約束對(duì)分段施工或節(jié)段施工的連續(xù)梁橋的永久內(nèi)力及變形有重要影響，本橋?yàn)樵跐M堂支架上進(jìn)行逐段施工，需要考慮施工中滿堂支架的臨時(shí)約束條件。小跨徑橋梁的滿堂落地支架一般采用門式主桁架結(jié)構(gòu)或萬(wàn)能桿件結(jié)構(gòu)，其抗壓剛度一般在30000～90000（B/H）t/m之間，本橋模型中取60000（B/H）t/m，箱梁底寬B為11.0m，梁底離地面H約10.0m，因此其抗壓剛度取55000（B/H）t/m。支座抗壓剛度可參考國(guó)際及支座廠家資料，不同規(guī)格的支座其抗壓強(qiáng)度也不同［6］。

本橋施工順序?yàn)?#→8#→9#→10#→11#墩，因此模型中可劃分為6個(gè)施工階段，見(jiàn)表1。

2.5計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上Midas/Civil2010有限元模型，全橋在各工況下的傾覆系數(shù)及彎矩計(jì)算結(jié)果如表2。

表1　施工階段說(shuō)明

表2　本橋傾覆系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論與建議

（1）工況1（公路I級(jí)+恒載+支座沉降+溫度梯度+整體升降溫）：傾覆系數(shù)為12.71＞2.5，結(jié)構(gòu)安全不傾覆；

（2）工況2（1.0m間距重車+恒載+支座沉降+溫度梯度+整體升降溫）：

車輛超載30%時(shí)傾覆系數(shù)6.76；

車輛超載50%時(shí)傾覆系數(shù)5.83；

車輛超載100%時(shí)傾覆系數(shù)4.59。

通過(guò)以上驗(yàn)算可知，該橋梁結(jié)構(gòu)在各工況荷載組合作用下，傾覆系數(shù)均大于限值2.5，本橋結(jié)構(gòu)均能滿足結(jié)構(gòu)抗傾覆要求。

橋梁傾覆破壞為瞬間行為，類似于結(jié)構(gòu)的“脆性”破壞，防范困難，經(jīng)濟(jì)損失大，應(yīng)引起從業(yè)人員高度重視。通過(guò)本文的算例分析發(fā)現(xiàn)，多柱墩連續(xù)梁橋在各種最不利極限荷載組合作用下，均能滿足結(jié)構(gòu)抗傾覆要求，相對(duì)于單柱墩橋梁，其抗傾覆能力有較大提高，設(shè)計(jì)人員在相關(guān)的橋梁設(shè)計(jì)工作中，可適當(dāng)增加墩的數(shù)量，提高橋梁結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性。當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)的抗傾覆安全系數(shù)不滿足要求時(shí)，應(yīng)采取可靠的抗傾覆措施及加固措施，防止意外事故發(fā)生。

［1］ 袁攝楨，戴公連，吳建武.單柱寬幅連續(xù)梁橋橫向傾覆穩(wěn)定性探討［J］.中外建筑，2008（7）：154-157.

［2］ 中華人民共和國(guó)交通部.JTGD60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］ 中華人民共和國(guó)交通部.JTGD62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［4］ 梁峰.三跨獨(dú)柱連續(xù)梁橋抗傾覆能力研究［J］.公路，2009，10（10）：40-43.

［5］ 黃國(guó)勇，蘭長(zhǎng)青.墩梁固結(jié)獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆分析及加固設(shè)計(jì)方法［J］.公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2011（12）：87-89.

［6］ 李學(xué)輝，王蘊(yùn)華.獨(dú)柱支撐連續(xù)箱梁彎橋傾覆事故的成因分析及加固設(shè)計(jì)［J］.公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2012（2）：3-5.

Analysis on Stability Against Overturning of Continuous Box Girder Bridge

LI Wei

（Liaoning Transportation Research Institute，Shenyang 110015，China）

Learning experience and lessons from overturning accident of single-column pier bridge，the modeling analysis and calculation are made on No.3（4×25m prestressed concrete continuous box girder bridge）of Ramp A in Reconstruction Project of Xingshan Hub Interchange of Jingha Expressway by adopting finite element software Midas，so as to impose bridge deck load under all kinds of limited conditions，and adjust loading mode. The capacity against overturning of such kind of bridge is analyzed，the relevant check calculation method is put forward，and factors relating to stability against overturning of continuous box girder bridge are discussed.

Continuous box girder bridge；Stability against overturning；Finite element analysis；Midas

U441

A

1673-6052（2016）01-0015-04

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.01.004