基于有限元的獨柱墩曲線橋抗傾覆穩定性影響因素分析

王 剛

（山西路橋東二環高速公路有限公司，山西 太原 030006）

隨著我國經濟的快速發展，城市交通受地形或地物限制日益嚴重，為了改善交通擁堵現狀，城市立交橋和高架橋得到廣泛運用[1-2]。立交橋互通匝道通常采用占地量小、結構輕巧、行車舒適的獨柱墩曲線橋，當遇到嚴重超載偏載情況時，橋梁會出現傾覆破壞[3-4]。近年來，我國發生多起因汽車超載致使曲線橋傾覆倒塌事故，造成嚴重經濟損失及人員傷亡[5]。目前，國內在獨柱墩曲線橋設計過程中大多僅考慮抗彎、抗剪性是否滿足規范要求，而對曲線橋的抗傾覆穩定性沒有足夠重視[6]。基于此，筆者以某城市快速路匝道橋曲線部分為研究背景，運用Midas Civil有限元軟件，建立橋梁仿真模型，針對不同曲線半徑、支座布置和邊中跨比的獨柱墩曲線橋進行抗傾覆穩定性分析，研究結果可為獨柱墩連續梁橋的抗傾覆設計提供理論依據。

1 橋梁概況

依托某快速路匝道橋曲線部分為研究背景，其上部結構為三跨鋼-混組合連續梁，下部結構采用獨柱墩、承臺接灌注樁基礎，橋梁每跨的中心線均為20 m，曲線半徑R=120 m，該匝道橋為單箱單室箱梁，采用單向雙車道形式設計，橋面寬度8 m，其橋梁整體布置及橫斷面如圖1所示。

圖1 獨柱墩曲線橋布置情況（單位：cm）

2 建立模型

考慮到獨柱墩曲線橋的構造特點及計算精度要求，運用Midas Civil建立有限元模型進行數值分析，曲線橋計算模型如圖2所示。模型中上部混凝土板結構與下部鋼箱結構均采用梁單元進行模擬。

圖2 曲線橋計算模型

其中支座采用彈性連接，支座與主梁為剛性連接，支座與墩頂為固結連接。橋梁支座編號和傾覆軸線的布置如圖3所示。

圖3 支座及傾覆軸線布置

計算過程中考慮了恒載、基礎變位、溫度及汽車荷載的作用，各參數取值如下：

a）恒載 橋面混凝土層厚20 cm，重度25 kN/m3，瀝青混凝土層厚10 cm，重度23 kN/m3，鋼材重度78.5 kN/m3，單側護欄每延米10 kN/m。

b）基礎變位 支座不均勻沉降8 mm。

c）溫度荷載 按照《公路橋涵設計通用規范JTG D60—2004》相關規定進行計算。

d）汽車荷載 采用公路-I級雙車道荷載，考慮沖擊荷載，根據《公路橋涵設計通用規范JTG D60—2004》中最不利偏載布置規定，選取車道中心線距橋邊側1.4 m作為最不利車道位置。

3 抗傾覆穩定性影響分析

3.1 曲線半徑

在原曲線半徑120 m獨柱墩曲線橋梁的基礎上，通過增加60 m、240 m和600 m三種不同曲線半徑橋梁，針對不同曲線半徑情形下的獨柱墩曲線橋進行抗傾覆穩定性分析。

通過對車載偏載作用下各獨柱墩曲線橋梁進行數值分析，獲得最大傾覆效應時各支座反力如圖4所示，并根據《公路鋼筋混凝土與預應力混凝主橋涵設計規范》（JTG D62—2012）中相關公式分別對各獨柱墩曲線橋梁抗傾覆穩定系數進行計算，得出結果如圖5所示。

圖4 不同曲線半徑情形下支座反力變化情況

圖5 不同曲線半徑的抗傾覆穩定系數

根據圖4可知，在車輛偏載作用下，曲線半徑不會對橋梁中墩支座反力產生明顯影響，但對橋臺雙支座的反力影響較為明顯。通過對比橋臺雙支座結構中內外兩側的支座反力數據發現，兩橋臺內側的支座反力均小于外側，且當曲線半徑越大，內外側的支座反力差值越小，說明此時雙支座結構的受力越平穩，其內側支座也就越難發生脫空損害。由圖5可知，當曲線半徑小于240 m時，橋梁抗傾覆穩定系數隨著曲線半徑增大逐漸減小，其原因為曲線橋的穩定力矩和傾覆力矩均趨于惡性發育；當曲線半徑大于240 m時，橋梁抗傾覆穩定系數隨著曲線半徑增大出現大幅上升，其原因是傾覆軸線在曲線半徑達到一定值后變成了橋臺外側支座連線，致使曲線橋的抗傾覆穩定能力得到明顯提升。

3.2 支座布置

根據文獻[7]可知，合理的支座布置能夠有效提升橋梁的穩定性能。為了探討不同支座布置對橋梁抗傾覆穩定性的影響，本文在曲線半徑120 m的原橋基礎上，通過僅改變橋臺雙支座間距和中墩單支座間距，擬定了5種不同支座布置方案如表1所示，針對不同支座布置情形下的曲線橋進行抗傾覆穩定分析。

表1 支座布置方案 m

通過對車載偏載作用下各支座布置的獨柱墩曲線橋梁進行數值分析，獲得最大傾覆效應時各支座反力以及抗傾覆穩定系數分別如圖6、圖7所示。

圖6 不同支座布置情形下支座反力變化情況

圖7 不同支座布置的抗傾覆穩定系數

由圖6中支座布置方案一～方案三的反力數據可知，在車輛偏載作用下，隨著橋臺支座間距的增大，橋臺雙支座之間的反力差值逐漸減小，說明增大橋臺支座間距能夠有效降低橋臺內側支座發生脫空損壞，有利于提升橋梁的穩定性能。而對比方案一、方案四和方案五可知，在車輛偏載作用下橋臺雙支座之間的反力差隨著中墩偏心距的增大逐漸減小，但由于方案五中橋臺內側支座反力大于外側支座，對橋梁抗傾覆穩定較為不利，因此合理布置好中墩單支座的偏心距能夠有效提升橋臺雙支座穩定性。根據圖7可知，曲線橋的抗傾覆穩定性能基本不會受到橋臺雙支座間距變化的影響，這是由于傾覆軸線為中墩支座連線時，改變橋臺支座間距不會引起曲線橋的穩定力矩和傾覆力矩產生變化，故橋梁抗傾覆穩定性保持平穩；而增大中墩支座偏心距可有效地增強曲線橋的抗傾覆性，其原因為中墩支座設置偏心距能夠使曲線橋的穩定力矩和傾覆力矩呈良性發展，故有利于提升抗傾覆穩定性能。

3.3 邊中跨長度比

以原曲線橋計算模型為基礎，保持曲線橋總長、跨數、半徑等參數不變，通過僅改變橋梁邊跨與中跨兩者之間的長度，擬定了邊中跨比為1、3/4、1/2三組數值模型，其對應跨徑組合分別為（20+20+20）m、（18+24+18）m和（15+30+15）m。 通過對車載偏載作用下不同邊中跨比的獨柱墩曲線橋梁進行數值分析，得到最大傾覆效應時各支座反力以及抗傾覆穩定系數分別如圖8、圖9所示。

圖8 不同邊中跨長度比情形下支座反力變化情況

圖9 不同邊中跨長度比的抗傾覆穩定系數

根據圖8可知，曲線橋中墩支座反力隨著邊中跨比的減小逐漸增大，而橋臺支座反力差值隨之逐漸減小，其中邊中跨比為3/4時，邊墩雙支座反力差較小，橋梁結構內力分布較為合理，而邊中跨比為1/2時，橋臺支座出現脫空現象，這是由于邊中跨比布置不合理導致。根據圖9可知，曲線橋的抗傾覆穩定系數隨著邊中跨比的減小逐漸減小，而以上分析結果表明橋梁跨徑采用邊中跨比為3/4最為合理，故曲線橋在邊中跨比設計時應對橋梁的結構內力分布與抗傾覆穩定性進行綜合考慮。

4 結論

a）當曲線半徑越大，橋臺內外側的支座反力分布越均勻，但橋梁的抗傾覆穩定性越差；當曲線半徑增加至傾覆軸線變為橋臺支座連線時，曲線橋的抗傾覆性能夠得到大幅提升。

b）曲線橋的抗傾覆性能基本不會受橋臺雙支座間距影響，而設置合理的中墩單支座偏心距能夠有效提升橋臺雙支座的穩定性，增強橋梁的抗傾覆穩定性。

c）曲線橋的抗傾覆性能隨著邊中跨比的減小逐漸減小，但邊中跨比過小會導致橋臺支座產生脫空現象；設計合理的邊中跨比需綜合考慮曲線橋內力分布、抗傾覆性等因素。