橋梁整體抗滑傾覆穩(wěn)定性失效分析

劉林飛

摘? 要：近年來，我國因整體失穩(wěn)而發(fā)生的多起類似梁橋破壞事故相繼發(fā)生，其失穩(wěn)的關(guān)鍵因素是傾覆。然而，梁橋滑動此類不尋常的整體失穩(wěn)破壞模式，卻很少被提及，本文主要就梁橋整體抗滑傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行分析。因此，本文首先對梁橋上通過的偏心重型車輛的響應(yīng)進(jìn)行了評估。其次，本文分析了滑坡和傾覆的整體失穩(wěn)過程。為了實(shí)現(xiàn)這兩個目標(biāo)，筆者采用模型和方法分析梁橋的動力響應(yīng)。分析結(jié)果表明，破壞開始于隆升，結(jié)束于滑動，而不是剛體翻轉(zhuǎn)。根據(jù)數(shù)值分析的結(jié)果，討論了軸承的規(guī)格限制和摩擦系數(shù)。

關(guān)鍵詞：梁橋，抗滑，穩(wěn)定性，失效

1.前言及背景分析

例舉我國有因整體失穩(wěn)而導(dǎo)致梁橋事故發(fā)生的事故4起。2011年，浙江春暉大橋因4輛總重389.3噸的貨車垮塌。第二年，當(dāng)四輛超載的卡車在右側(cè)甲板上行駛時，哈爾濱的一鋼-混凝土組合梁從橋墩上滑落到地面上。2015年，廣東省再次發(fā)生了與浙江省相同的坍塌事故。2016年，上海中環(huán)線簡支梁發(fā)生轉(zhuǎn)動和滑移，幸運(yùn)的是沒有發(fā)生其他的意外坍塌事故。

對上述四起事故的調(diào)查最終都得出結(jié)論：車輛超載;這些事故中的橋梁有五個共同特征：

（1）整體箱梁橋;（2）大半徑的直梁或水平彎梁;（3）在同一甲板側(cè)行駛或者停留的重型車輛;

（4）多跨倒塌橋梁多為單柱墩單支座、梁端雙支座間距離較短的多跨倒塌橋梁;（5）整體失穩(wěn)的相似破壞模式有滑動和傾覆。

梁橋在車輛荷載偏心作用下，特別是滑移和傾覆作用下的整體穩(wěn)定性是設(shè)計過程中必須考慮的問題。例如，EN 1990給出的整體穩(wěn)定性受到結(jié)構(gòu)受靜載影響的極限狀態(tài)，并應(yīng)驗證為結(jié)構(gòu)靜力平衡的損失。類似地，我國的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)也要求一些相關(guān)的規(guī)定。SIA 260標(biāo)準(zhǔn)明確了結(jié)構(gòu)在四種極限狀態(tài)下的整體抗滑、抗傾覆、抗隆起穩(wěn)定性。我國公路橋規(guī)范中引入了大于2.5的穩(wěn)定性系數(shù)的傾覆案例。施工規(guī)范中強(qiáng)調(diào)，當(dāng)豎向荷載小于豎向承載力的20%時，不應(yīng)采用多回轉(zhuǎn)軸承。同樣，我國鐵路橋梁規(guī)范要求軸承的最小壓應(yīng)力應(yīng)大于2mpa。

部分學(xué)者使用ANSYS對一座倒塌的箱梁橋進(jìn)行了有限元模型研究偏心重型車輛下的破壞機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)坍塌是由傾覆的不穩(wěn)定性和材料的強(qiáng)度失效引起的，數(shù)值分析結(jié)果中水平力與崩塌方向明顯相反。為預(yù)測單柱墩橋的傾覆荷載，有些學(xué)者提出了一種簡單的分析方法，核心思想仍然是基于剛體原理，且考慮了軸承摩擦的影響。部分學(xué)者認(rèn)為傾覆軸是橋梁兩個支座之間的一條直線。卻很少有人關(guān)注車輛在破壞過程中的滑動問題。因此，本文不僅研究其結(jié)構(gòu)，還分析了偏心重型車輛通過梁橋時整體滑移和傾覆失穩(wěn)過程。還討論軸承規(guī)格限制和摩擦系數(shù)選擇。

2.橋梁數(shù)值模型

為了研究結(jié)構(gòu)失效的原因，特別是對偏心重型車輛過橋時鋼筋混凝土梁橋倒塌前的行為進(jìn)行了研究，在現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上，建立了三維非線性有限元分析模型。在本研究中，我們采用了一種循序漸進(jìn)的方法，并在發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析方法的理論基礎(chǔ)上，在其中發(fā)現(xiàn)了梁在移動荷載作用下的動態(tài)響應(yīng)。

在研究分析中，我們對春暉大橋做了詳細(xì)三維非線性有限元模型。該模型采用梁單元對梁、墩、樁、承臺進(jìn)行模擬，并總結(jié)了其性能。采用鉆孔取心法測定主梁和墩柱的混凝土抗壓強(qiáng)度，并根據(jù)測得的強(qiáng)度計算其模量，其余均來源于設(shè)計文件和規(guī)范。同時，梁與軸承之間采用剛性連接單元。

春暉E匝道橋上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)之間的連接采用彈性層壓軸承、側(cè)擋塊和銷釘進(jìn)行。一般而言，不受任何張力的彈性層壓軸承為上部結(jié)構(gòu)提供了垂直和扭轉(zhuǎn)約束，以及水平力作用下的剛度，如風(fēng)荷載或地震力。類似地，側(cè)擋和銷釘?shù)脑O(shè)計是為了抵抗地震力的水平力，并限制水平位移。

3.非線性彈簧單元模型

采用非線性彈簧單元模型對彈性層壓軸承、側(cè)擋圈和銷釘進(jìn)行了建模。并分別計算彈性層壓軸承的豎向剛度（KV）和水平剛度（KH）。同時，在庫侖摩擦模型的基礎(chǔ)上，考慮了軸承在水平方向上的滑動行為。

采用多線性外剪鍵力-位移關(guān)系模型簡化了側(cè)向擋塊的性能。雖然該模型是基于支撐-拉桿機(jī)構(gòu)建立的橋臺外剪鍵模型，但在理論上也適用于橋臺內(nèi)剪鍵。此外，抗側(cè)力（HV=HVc+HVs）由兩部分組成：混凝土和鋼筋。模型的各級位移取決于側(cè)擋塊的大小、配筋發(fā)展的長度、開裂區(qū)域的長度和鋼應(yīng)變。

4. 數(shù)值分析

在本研究分析中，車輛速度對橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響不是主要關(guān)注的問題。因此，我們在分析中將車速設(shè)為1m/s，利用車輛從橋臺（A0）開始的行駛距離（vt）來確定車輛在橋面上的位置。

4.1梁的傾覆

由于扭轉(zhuǎn)角或梁的表觀扭轉(zhuǎn)形狀是反映傾覆響應(yīng)的關(guān)鍵位移參數(shù)，通過有限元分析得到春暉E匝道大橋的扭轉(zhuǎn)角，當(dāng)行駛距離為0m～20m時，扭轉(zhuǎn)角很小，P1處最大值僅為0.001 rad。與此同時，所有軸承都處于明顯的壓縮狀態(tài)。在第1階段，左側(cè)支座的反作用力減小到0.6 kN;右支座反力增加到1692.6 kN;P1墩反力增加到3835.2 kN，其他方面基本不變;增量和約為貨車總重T1。

當(dāng)掘進(jìn)距離為20m～32m（二期）時，橋臺左軸承失效，梁扭轉(zhuǎn)角緩慢增大，在A0和P1處的最大值為0.009 rad。在第二階段，左支座的反作用力減小到0 kN，而其他支座的反作用力繼續(xù)保持與第一階段相同的趨勢。當(dāng)行駛距離為32m～90m（三期）時，A0、P6左軸承停止工作，梁的扭轉(zhuǎn)角達(dá)到峰值（約0.28 rad）。P1、P2、P4和P5的反作用力變化明顯。在第三階段，扭轉(zhuǎn)角的正切值超過了摩擦系數(shù);當(dāng)行駛距離為82米時，P1和P5的軸承停止工作。然而，梁在扭轉(zhuǎn)方向（Rx）仍然保持穩(wěn)定。從技術(shù)上講，不會發(fā)生傾覆，扭轉(zhuǎn)角也不會超過90度。

4.2梁的滑動

由相關(guān)計算公式可計算出橫向滑移阻力（Hi），并可以看出，A0和P6處的橫向滑移電阻在第三相繼續(xù)增大。這是由于純PTFE潤滑的彈性層壓軸承的扭轉(zhuǎn)角的切向值大于摩擦系數(shù)。而其它支座的橫向滑移阻力較小，甚至為零。

因此，梁在支座處有橫向位移。梁在第一和第二階段沒有滑移。在第三階段，當(dāng)掘進(jìn)距離為32m～50m時，梁與右支擋在橋臺處間隙減小到0cm。梁在A0、P1、P2處的橫向受側(cè)塞約束。在滑移失穩(wěn)前，P1處的橫向滑移位移小于15mm。梁在P4、P5、P6處的橫向位移繼續(xù)增大。最后，當(dāng)車輛行駛到88 m時，P6處梁的橫向位移大于150mm，此時梁由于滑移而失穩(wěn)。

5. 結(jié)論

春暉E匝道大橋垮塌現(xiàn)場調(diào)查后，采用非線性有限元方法對車輛過橋的全過程進(jìn)行了模擬分析。用數(shù)值模型重新計算了力和位移的響應(yīng)曲線。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)值分析，最后提出下列結(jié)論：

（1）動力響應(yīng)非線性分析的一般方法—逐步分析法是評價梁橋整體穩(wěn)定性的有效方法。特別是通過數(shù)值分析得到了整個過程的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

（2）考慮梁的變形和非線性邊界條件的橫向防滑平衡方程;可用于梁的滑動穩(wěn)定性評價。

（3）春暉e -匝道大橋的分析結(jié)果表明，橋梁的破壞開始于支座和支座的抬升以滑動結(jié)束，而不是剛體的翻轉(zhuǎn)。

（4）春暉e -匝道大橋側(cè)移運(yùn)動過大，側(cè)移限位裝置失效，導(dǎo)致橋梁失穩(wěn)垮塌。在橋梁設(shè)計過程中，側(cè)向限位裝置應(yīng)具有足夠的延性和強(qiáng)度。

（5）傾覆安全系數(shù)的傳統(tǒng)評估方法沒有考慮梁的變形和滑移，由于支座摩擦系數(shù)對梁的抗滑性也有重要的影響，因此這是一種有限的方法。