曲線半徑大小對獨(dú)柱墩箱梁抗傾覆穩(wěn)定性的影響分析

夏良杰

摘要：鑒于國內(nèi)獨(dú)柱墩橋梁因橫向抗傾覆安全性不足導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)安全事故時(shí)有發(fā)生，為了研究曲線半徑大小對獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的影響，結(jié)合實(shí)際工程實(shí)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(dú)柱墩箱梁抗傾覆穩(wěn)定性的影響，為同類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guān)鍵詞：獨(dú)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(xiàn)標(biāo)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(jié)構(gòu)類似的匝道橋，通過查閱橋梁竣工圖及現(xiàn)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(jié)構(gòu)均為鋼筋混凝土連續(xù)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(jié)構(gòu)均為圓形獨(dú)柱墩，橋梁端0、3#墩均采用3個(gè)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(shè)置單支座；基礎(chǔ)均為鉆孔灌注基礎(chǔ)。箱梁標(biāo)準(zhǔn)截面見圖1所示，橋聯(lián)主梁支承體系布置見圖2所示，兩橋基本參數(shù)對比見表1。

兩橋主要設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：①設(shè)計(jì)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(shè)防；⑤設(shè)計(jì)洪水頻率：大中橋1/100。

2 計(jì)算模型分析

2.1 計(jì)算模型概況 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算均采用橋梁結(jié)構(gòu)專業(yè)分析軟件MIDAS/Civil 2017建立空間桿系有限元模型進(jìn)行。兩橋結(jié)構(gòu)驗(yàn)算模型參見圖3、4。

計(jì)算模型參數(shù)均選取：①箱梁梁體均采用40號混凝土。②恒荷載包括結(jié)構(gòu)自重和二期恒載。混凝土自重按25.5kN/m3計(jì)，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(cè)防撞墻按8.313kN/m計(jì)。③活荷載：公路-I級，按規(guī)范JTG B01-2014取值；沖擊系數(shù)按規(guī)范JTG D60-2004計(jì)算。④混凝土收縮徐變：混凝土收縮應(yīng)變和徐變系數(shù)按相應(yīng)規(guī)范由程序自動計(jì)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(yīng)為升溫效應(yīng)的0.5倍。⑥ 基礎(chǔ)沉降：計(jì)算按沉降5mm取值。⑦施工方法：滿堂支架現(xiàn)澆施工。

2.2 橫向抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果對比 ①單向受壓支座脫空驗(yàn)算：在荷載基本組合下以及汽車荷載分項(xiàng)系數(shù)為3.4時(shí)，兩橋橋梁最小支座反力狀況結(jié)果對比見表2、3。通過表2、3對比發(fā)現(xiàn)，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(xiàng)系數(shù)為3.4時(shí)，支座脫空反力更小，支座反力越大。

②上部結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算：按照《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 D62-2012）征求意見稿第4.1.9條進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)結(jié)構(gòu)支承體系平面布置情況，本橋聯(lián)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(jì)算結(jié)果見表4。

經(jīng)過計(jì)算，當(dāng)傾覆軸線為1#支座和2#墩支座的連線時(shí)，1、2號橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)值均取最小值，分別為4.8、7.8，均大于規(guī)范要求值2.5。

現(xiàn)將兩橋橫向抗傾覆驗(yàn)算結(jié)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(xiàng)系數(shù)3.4時(shí)1號橋最小負(fù)反力更小，同時(shí)箱梁整體抗傾覆安全系數(shù)也更小，為了進(jìn)一步研究在車輛偏載相同作用下，不同半徑獨(dú)柱墩曲線橋梁的支座反力和箱梁整體抗傾覆安全性系數(shù)影響變化的規(guī)律。以1號橋?yàn)榛A(chǔ)，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(xù)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(jì)算分析

分別計(jì)算四種模型在基本組合下最小負(fù)反力、汽車荷載分項(xiàng)系數(shù)3.4時(shí)支座最小負(fù)反力以及箱梁整體抗傾覆安全系數(shù)的值，計(jì)算結(jié)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(fù)反力逐漸增大，汽車荷載分項(xiàng)系數(shù)3.4時(shí)支座最小負(fù)反力也逐漸增大。由此我們可以得出結(jié)論：在基本組合下與汽車荷載分項(xiàng)系數(shù)3.4時(shí)，曲線半徑的大小對于獨(dú)柱墩箱梁支座反力影響很大，可以認(rèn)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(xiàn)負(fù)反力。

3.2 計(jì)算結(jié)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(fù)反力逐漸增大，汽車荷載分項(xiàng)系數(shù)3.4時(shí)支座最小負(fù)反力也逐漸增大。由此我們可以得出結(jié)論：在基本組合下與汽車荷載分項(xiàng)系數(shù)3.4時(shí)，曲線半徑的大小對于獨(dú)柱墩箱梁支座反力影響很大，可以認(rèn)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(xiàn)負(fù)反力。②箱梁整體抗傾覆安全系數(shù)比較：比較0-2號橋箱梁整體抗傾覆安全系數(shù)發(fā)現(xiàn)，隨著箱梁曲線半徑增大，箱梁整體抗傾覆安全系數(shù)是逐漸降低的，這是因?yàn)闃蛄悍€(wěn)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(shù)是逐漸增大的，這是由于3-5號橋箱梁傾覆軸線發(fā)生改變，曲線半徑增大導(dǎo)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(fā)生改變。

4 結(jié)語

對于橋臺上三個(gè)支座的三跨連續(xù)獨(dú)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(wěn)定性系數(shù)會逐漸減小，此時(shí)對于這種曲線半徑相對較小的箱梁可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)適當(dāng)增大中間獨(dú)柱墩的偏心距來解決。但是當(dāng)箱梁曲線半徑增大到一個(gè)程度時(shí)，箱梁傾覆軸線發(fā)生改變，此時(shí)曲線半徑的增大對于箱梁整體抗傾覆穩(wěn)定是有利，即直線箱梁更不易發(fā)生傾覆。

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