橋梁整體抗滑傾覆穩定性失效分析

劉林飛

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

關鍵詞：梁橋，抗滑，穩定性，失效

1.前言及背景分析

例舉我國有因整體失穩而導致梁橋事故發生的事故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，當四輛超載的卡車在右側甲板上行駛時，哈爾濱的一鋼-混凝土組合梁從橋墩上滑落到地面上。2015年，廣東省再次發生了與浙江省相同的坍塌事故。2016年，上海中環線簡支梁發生轉動和滑移，幸運的是沒有發生其他的意外坍塌事故。

對上述四起事故的調查最終都得出結論：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定性是設計過程中必須考慮的問題。例如，EN 1990給出的整體穩定性受到結構受靜載影響的極限狀態，并應驗證為結構靜力平衡的損失。類似地，我國的工程結構設計標準也要求一些相關的規定。SIA 260標準明確了結構在四種極限狀態下的整體抗滑、抗傾覆、抗隆起穩定性。我國公路橋規范中引入了大于2.5的穩定性系數的傾覆案例。施工規范中強調，當豎向荷載小于豎向承載力的20%時，不應采用多回轉軸承。同樣，我國鐵路橋梁規范要求軸承的最小壓應力應大于2mpa。

部分學者使用ANSYS對一座倒塌的箱梁橋進行了有限元模型研究偏心重型車輛下的破壞機制。他們發現坍塌是由傾覆的不穩定性和材料的強度失效引起的，數值分析結果中水平力與崩塌方向明顯相反。為預測單柱墩橋的傾覆荷載，有些學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。部分學者認為傾覆軸是橋梁兩個支座之間的一條直線。卻很少有人關注車輛在破壞過程中的滑動問題。因此，本文不僅研究其結構，還分析了偏心重型車輛通過梁橋時整體滑移和傾覆失穩過程。還討論軸承規格限制和摩擦系數選擇。

2.橋梁數值模型

為了研究結構失效的原因，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行了研究，在現場調研的基礎上，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的方法，并在發現結構動力學分析方法的理論基礎上，在其中發現了梁在移動荷載作用下的動態響應。

在研究分析中，我們對春暉大橋做了詳細三維非線性有限元模型。該模型采用梁單元對梁、墩、樁、承臺進行模擬，并總結了其性能。采用鉆孔取心法測定主梁和墩柱的混凝土抗壓強度，并根據測得的強度計算其模量，其余均來源于設計文件和規范。同時，梁與軸承之間采用剛性連接單元。

春暉E匝道橋上部結構與下部結構之間的連接采用彈性層壓軸承、側擋塊和銷釘進行。一般而言，不受任何張力的彈性層壓軸承為上部結構提供了垂直和扭轉約束，以及水平力作用下的剛度，如風荷載或地震力。類似地，側擋和銷釘的設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、側擋圈和銷釘進行了建模。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-位移關系模型簡化了側向擋塊的性能。雖然該模型是基于支撐-拉桿機構建立的橋臺外剪鍵模型，但在理論上也適用于橋臺內剪鍵。此外，抗側力（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擋塊的大小、配筋發展的長度、開裂區域的長度和鋼應變。

4. 數值分析

在本研究分析中，車輛速度對橋梁結構響應的影響不是主要關注的問題。因此，我們在分析中將車速設為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

由于扭轉角或梁的表觀扭轉形狀是反映傾覆響應的關鍵位移參數，通過有限元分析得到春暉E匝道大橋的扭轉角，當行駛距離為0m～20m時，扭轉角很小，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。在第1階段，左側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。

當掘進距離為20m～32m（二期）時，橋臺左軸承失效，梁扭轉角緩慢增大，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保持與第一階段相同的趨勢。當行駛距離為32m～90m（三期）時，A0、P6左軸承停止工作，梁的扭轉角達到峰值（約0.28 rad）。P1、P2、P4和P5的反作用力變化明顯。在第三階段，扭轉角的正切值超過了摩擦系數;當行駛距離為82米時，P1和P5的軸承停止工作。然而，梁在扭轉方向（Rx）仍然保持穩定。從技術上講，不會發生傾覆，扭轉角也不會超過90度。

4.2梁的滑動

由相關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增大。這是由于純PTFE潤滑的彈性層壓軸承的扭轉角的切向值大于摩擦系數。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，當掘進距離為32m～50m時，梁與右支擋在橋臺處間隙減小到0cm。梁在A0、P1、P2處的橫向受側塞約束。在滑移失穩前，P1處的橫向滑移位移小于15mm。梁在P4、P5、P6處的橫向位移繼續增大。最后，當車輛行駛到88 m時，P6處梁的橫向位移大于150mm，此時梁由于滑移而失穩。

5. 結論

春暉E匝道大橋垮塌現場調查后，采用非線性有限元方法對車輛過橋的全過程進行了模擬分析。用數值模型重新計算了力和位移的響應曲線。根據現場調查和數值分析，最后提出下列結論：

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

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

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

（4）春暉e -匝道大橋側移運動過大，側移限位裝置失效，導致橋梁失穩垮塌。在橋梁設計過程中，側向限位裝置應具有足夠的延性和強度。

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