橋梁結構抗傾覆計算分析與防控措施

殷 濤， 丁 楠， 張 龍

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司;公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心,安徽 合肥 230088)

0 引 言

2007年以來,我國發生了多起橋梁倒塌傾覆事故,橋梁的穩定性和安全性越來越受到重視。通過對傾覆形式和原因的分析,倒塌原因主要有三種[1]:

(1) 下部結構破壞,上部結構保持完好。在極端事件下(例如地震、車輛撞擊等),下部結構破壞,上部結構支承失效,引起倒塌。

(2) 上部結構強度破壞。荷載作用下,上部結構因強度不足發生破壞,造成倒塌。

(3) 下部結構完好,上部結構傾覆破壞。

其中,由于車輛超重和橋梁支座設置不合理導致上部結構傾覆破壞,沒有明顯征兆,猝然發生極其危險,需要嚴格控制。

1 橋梁抗傾覆計算方法

傾覆現象可以描述為,橋梁上部結構在超重車輛偏載作用下產生的失穩傾覆力矩超過結構恒載的穩定力矩,支座反力重新分布,部分支座脫離正常的受壓狀態,支承體系不再提供有效約束,上部結構繞傾覆軸線發生旋轉,最終形成結構扭轉大變形,橫向失穩垮塌,支承約束體系破壞的現象。

橋梁的傾覆過程中先后有兩個特征狀態[2]，如圖1所示:

圖1 典型破壞過程

(1) 某一單向受壓支座開始脫空。

(2)箱梁的抗扭傾覆的支承體系全部失效。

在傾覆的第二特征狀態中,結構變形不再符合小位移的假定,存在幾何非線性影響。

對于墩梁固結的箱梁,在移動偏載的作用下,主梁處于彎剪扭的復雜狀態,墩梁固結處橋墩處于偏壓狀態,其破壞極限是由箱梁和固結處橋墩的承載能力和受壓穩定性共同控制。

為了研究不同因素對橋梁傾覆能力的影響,選擇一典型彎橋項目進行傾覆驗算分析,首先通過有限元計算分析軟件,分別按照橋梁的不同的結構形式和支撐條件建立橋梁模型,如圖2所示，計算出各個方案的支座反力及抗傾覆穩定系數。驗算橋梁為(45+70+45)m變截面預應力鋼筋混凝土連續梁,主梁采用C50混凝土,單箱單室截面,橋寬18 m,中跨跨中梁高2 m,支點位置梁高4 m,結構自重、混凝土收縮徐變、預應力及移動荷載等按照實際情況施加。

圖2 模型軸視圖

設計四種方案進行對比分析，見表1。

表1 方案對比

四種方案的計算結果見表2。

表2 抗傾覆能力表驗算結果

通過對彎橋四種支座布置方案對比分析得知,當中墩采用獨柱單支座形式時,計算得到的支反力驗算和箱梁橫向抗傾覆穩定驗算均最為不利。通過增大平曲線半徑、加大支座間距、中墩設置雙支點均有利于提高橋梁結構的抗傾覆性能,其中中墩改設雙支點后的抗傾覆能力的提升效果最好。

2 傾覆防控措施

通過以上驗算結果對比和日常橋梁設計總結可以得出,影響箱梁抗傾覆性能的因素包括:橫向支點數量、支點橫向間距、以及平曲線半徑、橋梁抗扭跨徑、邊中跨比等[3,4]。

橋梁的抗傾覆措施包含:

(1) 改變結構破壞模式:將跨中單支座獨柱高墩改造為墩梁固結,結構受力體系復雜,因此需要按規范要求進行強度和穩定性計算;

(2) 提高結構的穩定性:加大平曲線半徑、跨中獨柱單支座改造為多支座,增大墩臺雙支座間距。這種措施不顯著改變結構的受力體系,同時可以結合改造橋墩,如加寬橋墩或設置鋼蓋梁等來減少橋下空間的影響;

(3) 設置冗余約束:加設限位構造、抗拔裝置,防止落梁和支座脫空。這種方法可以提高橋梁冗余安全性,但不提高抗傾覆性能。

3 結 論

為了避免橋梁的傾側破壞,防止新的傾覆事件發生,可得出以下結論:

對于正在設計階段的箱梁橋,擬定結構方案時應注意:

(1) 支座間距對梁體抗傾覆能力影響很大,橋墩宜采用橫向多支座體系,支座橫向間距盡量拉開。

(2) 當建設條件受限時,跨中橋墩必須采用獨柱墩形式時,可采用墩梁固結形式。

(3) 橋梁端部設置限位構造和抗拔裝置,防止落梁。

對于已經處于運營階段的箱梁橋，應注意:

(1) 應加強橋梁健康監測和安全評估,根據抗傾覆性能做綜合整治,獨柱中墩改造方案盡量采用雙支座或多支座形式;

(2) 避免超重載車和養護施工荷載密集、靠邊停放。