曲線半徑大小對獨柱墩箱梁抗傾覆穩定性的影響分析

夏良杰

摘要：鑒于國內獨柱墩橋梁因橫向抗傾覆安全性不足導致的結構安全事故時有發生，為了研究曲線半徑大小對獨柱墩橋梁抗傾覆穩定性的影響，結合實際工程實踐，利用MIDAS/Civil 2017建立空間桿系有限元模型分析對比不同曲線半徑對獨柱墩箱梁抗傾覆穩定性的影響，為同類結構設計和建造提供借鑒。

Abstract： In order to study the influence of curve radius on the anti-overturning stability with single column pier bridge， combined with practical engineering practice， in view of the structural safety accidents caused by insufficient transverse anti-overturning safety with single column pier bridge in China， the finite element model of spatial bar system established by MIDAS/Civil 2017 is used to analyze and compare the influence of different curve radius on the anti-overturning stability of box girder with single column pier， which provides a reference for the design and construction of similar structures.

關鍵詞：獨柱墩箱梁；有限元模擬；曲線橋；抗傾覆受力分析

Key words： box girder with single column pier；finite element simulation；curved bridge；anti-overturning force analysis

中圖分類號：U448.21+3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）10-0099-03

1 工程概況

某高速公路有兩座結構類似的匝道橋，通過查閱橋梁竣工圖及現場勘探，兩座匝道橋除曲線半徑不相同外其他因素大體相同，橋跨布置均為（23+24+23）m。兩橋上部結構均為鋼筋混凝土連續箱梁，截面類型均為單箱雙室箱梁。箱梁頂板寬9m，底板寬7m，懸臂長1m，梁高1.2m。下部結構均為圓形獨柱墩，橋梁端0、3#墩均采用3個支座，對稱箱梁中心線布置，相鄰兩支座間距為3.25m；中間1、2#墩墩頂設置單支座；基礎均為鉆孔灌注基礎。箱梁標準截面見圖1所示，橋聯主梁支承體系布置見圖2所示，兩橋基本參數對比見表1。

兩橋主要設計技術標準：①設計荷載：汽-超20級，掛-120級；②橫斷面布置：凈8m+2×0.5m；③平面布置：曲線梁，R1=106m，R2=75m；④地震烈度：基本烈度Ⅵ度，按Ⅶ設防；⑤設計洪水頻率：大中橋1/100。

2 計算模型分析

2.1 計算模型概況 結構驗算均采用橋梁結構專業分析軟件MIDAS/Civil 2017建立空間桿系有限元模型進行。兩橋結構驗算模型參見圖3、4。

計算模型參數均選取：①箱梁梁體均采用40號混凝土。②恒荷載包括結構自重和二期恒載。混凝土自重按25.5kN/m3計，二期恒載由橋面鋪裝和防撞墻組成，橋面鋪裝按16.32kN/m、單側防撞墻按8.313kN/m計。③活荷載：公路-I級，按規范JTG B01-2014取值；沖擊系數按規范JTG D60-2004計算。④混凝土收縮徐變：混凝土收縮應變和徐變系數按相應規范由程序自動計算。⑤溫度作用：常年溫差按±20℃考慮。橋面采用混凝土鋪裝，箱梁升溫溫差T1=25℃、T2=6.7℃，降溫效應為升溫效應的0.5倍。⑥ 基礎沉降：計算按沉降5mm取值。⑦施工方法：滿堂支架現澆施工。

2.2 橫向抗傾覆驗算結果對比 ①單向受壓支座脫空驗算：在荷載基本組合下以及汽車荷載分項系數為3.4時，兩橋橋梁最小支座反力狀況結果對比見表2、3。通過表2、3對比發現，與2號橋相比，1號橋在荷載基本組合下以及汽車荷載分項系數為3.4時，支座脫空反力更小，支座反力越大。

②上部結構橫向抗傾覆穩定性驗算：按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2012）征求意見稿第4.1.9條進行計算，根據結構支承體系平面布置情況，本橋聯最不利傾覆軸線有如下兩種可能：①0-3#支座和1#支座的連線；②1#支座和2#墩支座的連線。成橋反力從MIDAS/Civil 2015模型中提取，計算結果見表4。

經過計算，當傾覆軸線為1#支座和2#墩支座的連線時，1、2號橋抗傾覆穩定系數值均取最小值，分別為4.8、7.8，均大于規范要求值2.5。

現將兩橋橫向抗傾覆驗算結果列于表5。

3 影響因素分析

由表5知：對比2號橋而言，在基本組合下和汽車荷載分項系數3.4時1號橋最小負反力更小，同時箱梁整體抗傾覆安全系數也更小，為了進一步研究在車輛偏載相同作用下，不同半徑獨柱墩曲線橋梁的支座反力和箱梁整體抗傾覆安全性系數影響變化的規律。以1號橋為基礎，選取4種不同半徑其他條件相同下，利用MIDAS/Civil 2017建立三跨連續箱梁模型，分別為半徑為53m的0號橋、半徑為212m的3號橋、半徑為530m的4號橋、半徑為1060m的5號橋。四種曲線半徑MIDAS/Civil模型如圖5所示。

3.1 計算分析

分別計算四種模型在基本組合下最小負反力、汽車荷載分項系數3.4時支座最小負反力以及箱梁整體抗傾覆安全系數的值，計算結果如表6。

從表6中支座反力的變化分析：隨著箱梁曲線半徑的增大，基本組合下最小負反力逐漸增大，汽車荷載分項系數3.4時支座最小負反力也逐漸增大。由此我們可以得出結論：在基本組合下與汽車荷載分項系數3.4時，曲線半徑的大小對于獨柱墩箱梁支座反力影響很大，可以認為箱梁曲線半徑越大，橋臺支座越不易脫空，即直線橋橋臺支座不易出現負反力。

3.2 計算結論

從表6中可明顯看出來：①支座反力的變化分析：隨著箱梁曲線半徑的增大，基本組合下最小負反力逐漸增大，汽車荷載分項系數3.4時支座最小負反力也逐漸增大。由此我們可以得出結論：在基本組合下與汽車荷載分項系數3.4時，曲線半徑的大小對于獨柱墩箱梁支座反力影響很大，可以認為箱梁曲線半徑越大，橋臺支座越不易脫空，即直線橋橋臺支座不易出現負反力。②箱梁整體抗傾覆安全系數比較：比較0-2號橋箱梁整體抗傾覆安全系數發現，隨著箱梁曲線半徑增大，箱梁整體抗傾覆安全系數是逐漸降低的，這是因為橋梁穩定力矩是逐漸減小，傾覆力矩是逐漸增大的；但是反觀3-5號橋箱梁整體抗傾覆安全系數是逐漸增大的，這是由于3-5號橋箱梁傾覆軸線發生改變，曲線半徑增大導致傾覆軸線由1#墩與2#墩連線變成0-3#與3-3#墩連線，傾覆軸線與最不利車道中心線間圍成的面積也發生改變。

4 結語

對于橋臺上三個支座的三跨連續獨柱墩箱梁而言，箱梁曲線半徑的由小變大，在車輛偏載相同情況下，橋臺支座越不易脫空，抗傾覆穩定性系數會逐漸減小，此時對于這種曲線半徑相對較小的箱梁可以通過優化設計適當增大中間獨柱墩的偏心距來解決。但是當箱梁曲線半徑增大到一個程度時，箱梁傾覆軸線發生改變，此時曲線半徑的增大對于箱梁整體抗傾覆穩定是有利，即直線箱梁更不易發生傾覆。

參考文獻：

[1]JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[2]JTG D60-2015，公路橋涵設計通用規范[S].

[3]JTG B01-2014，公路工程技術標準[S]..

[4]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[5]JTG D62-2012，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].