外部約束失效對橋梁結構強健性影響分析

房 凱

(上海市市政規劃設計研究院有限公司，上海 200000)

1 引 言

連續梁，特別是中間設置單支座的連續梁，受力簡單、計算方便，在早起的城市橋梁建設中常被使用，但是諸如包頭丹拉高速高架橋梁體傾覆事件、哈爾濱陽明灘梁體傾覆事件都給連續梁的外部約束失效問題敲響了警鐘。這類局部破壞導致上部結構落梁的連續破壞應該被避免[1]，即連續梁結構需要通過保證外部約束不失效來維持橋梁結構的強健性。

為評價橋梁結構的強健性，需要選擇一個簡潔易得、可操作性、適應性強的指標[2]。

B1ockley、Dester[3]和方召欣等[4，5]提出基于能量耗散原理的強健性指標，而葉列平等[6]提出結合結構廣義剛度的評價指標，即以橋梁結構中局部構件出現失效后，整個結構應變能的變化作為衡量結構重要性系數的指標，也是衡量該構件失效后，結構強健性的指標，其表達式為

式中：U′為構件失效后結構的應變能，U為原結構應變能，R為結構強健性。構件失效導致的應變能變化越大，該構件越重要，其失效后結構的強健性也就越差。

連續梁橋在使用階段若出現偏載時，各支座反力會因彎扭耦合而不同，加之一些橋梁病害因素容易導致梁段翹曲甚至支座脫空等[7]，因此有必要研究連續梁在約束失效前提下橋梁結構的強健性。

2 工程背景

研究背景為跨徑4 m×22 m鋼筋混凝土連續曲線梁橋直線梁橋，橋寬為7.5 m，結構中心線為半徑為90 m的圓曲線。截面采用單箱單室如圖1，除兩端采用帶蓋梁的雙支座外，中間支座均采用獨墩的單支座形式，主要材料參數如下。

公路—I級，橫向可布置雙車道；

混凝土采用C50，容重26 kN/m3；

防撞護欄(兩側)共21.0 kN/m。

圖1 曲線梁橋主梁截面圖(單位：m)

支座約束形式分別如圖2所示。

圖2 曲線梁橋支座示意圖

擋塊尺寸均設置為30×30×100 cm。

3 有限元模型建立

本算例采用有限元分析軟件ANSYS模型，其中縱橋向為X方向，橫橋向為Y方向，豎向為Z方向。混凝土采用SOLID45單元，預應力鋼筋采用LINK8單元。

選取外部約束的失效對整體抗連續倒塌能力的影響。為有效的模擬結構失效，以ANSYS的“瞬態動力”和“生死單元”功能并且“殺死”失效的單元構件模擬破壞“瞬間”以及之后一段時間的結構響應[8，9]。在后續的響應檢查每一步中的單元受力情況，若出現失效則繼續“殺死”直至結構計算穩定。如果支座在分析過程中出現脫空，在當刻殺死約束單元，而支座復位時，在當刻重新建立約束單元。

根據文獻[10]，確定積分時間步長應小于Δt=1/20f=0.000 892 3 s，因此取時間步長為0.000 5 s。根據所用材料，假定混凝土材料達到材料標準強度為材料失效推出工作，因此C50的失效強度為抗拉2.65 MPa，抗壓32.4 MPa。而擋塊按經過計算，最大可抵抗橫向沖擊力為800 kN。

4 關鍵約束的確定

運營階段橋梁落梁多數為約束破壞或者擋塊破壞，而橋梁結構的支座作為“外部約束”邊顯得尤為重要，現通過能量發計算確定各支座的重要性系數如表1所示。

對于中間設置獨柱墩的連續梁，中墩顯得更為重要，但是現實中墩柱的破壞較為少見，而梁端雙支座中的一個約束出現失效的情況較為常見，該類橋梁的傾覆也多源于梁端約束的失效或者擋塊的失效，因此可以認為外部約束均為“關鍵約束”，并在此研究Z1約束失效的情況，其中Z1側為重載側。

表1 各約束的失效時的應變能變化量

4.1 支座失效全過程分析

Z1#和Z2#支座失效時結構的應變能時程曲線如圖3和圖4所示。

圖3 支座約束失效時結構的應變能時程曲線

圖4 支座支撐點處位移時程曲線

支座失效后，結構的動力響應持續時間較長，支座失效后橋梁結構出現振動，Z1#支座在失效后剩余支座約束的連續失效，其中各重要事件發生的時間點如表2所示。

表2 Z1#支座失效后橋梁結構變化

經過計算，結論如下。

端部重載側Z1#支座失效時，結構的應變能變化幅值為33 776.5 J，應變能增量相當于靜力分析的2.34倍，即動力放大效應顯著。

該橋在不足0.15 s內橋梁端部的擋塊受力達到破壞極限800 kN而失效，因該橋梁缺少其他多余橫向約束，橫橋向位移不斷加大，當橫向位置較大出現梁體一側懸空較大時，梁體將出現傾覆，此時橋梁的強健性較差。

4.2 防止橋梁出現連續倒塌的方法探討

通過以上計算，設有單支座的連續梁在約束失效時，動力效應顯著，且容易在偏載較大出現傾覆，這主要是因為全橋僅兩端雙支座處可以抵抗橋梁產生的彎扭作用，因此從加大兩端橫向約束的安全系數和在中間墩增設多余的抗扭支座兩條思路出發。目前針對該類橋梁的處理方法多采用對中間單支座墩柱墩增設蓋梁的方法，本文以該方法并對Z1#支座突然失效進行動力分析[11]。

中間的單支座墩柱墩設置抗扭支座后，各支座失效后應變能變化量如表3所示。

表3 增設抗扭支座后結構的應變能

由表3可知，橋梁結構增設抗扭支座，各約束失效后其剩余結構的強健性指標顯著加強，增加抗扭支座與原結構在Z1支座失效后的豎向位移對比如圖5所示。

圖5 Z1#支座支撐點處豎向位移時程曲線

計算結果表明，增加外部約束后，橋梁結構在某個約束失效后，其結構考慮動力效應的應變能變化顯著減弱，剩余結構的強健性指標明顯增加[12]，具體結論如下。

(1)在連續梁中間單支座墩柱墩處設置抗扭約束，可有效的減少約束失效后的動力效；各支座的重要性系數有效減小即單個約束失效后剩余結構的強健性指標轉好；

(2)對于Z1支座失效后可能引起傾覆的情況得到有效避免。

5 對獨墩橋梁的加固

對于增加外部約束，可以認為多數為被動發揮作用，主要起到在特殊情況下防落梁的作用?？梢詮囊韵聨讉€方法選擇。

(1)增設立柱與支座

在獨柱墩兩側各增設一個輔助墩柱與支座，將單點支撐改為三支座支撐[13]。

(2)墩柱加寬

將原獨柱墩橫向兩側加寬，并在墩頂位置增設輔助支座[13]。

(3)增設鋼蓋梁

在原獨柱墩的墩頂增設鋼蓋梁，在蓋梁兩側設置輔助支座[12]。

6 結 論

梁端一個約束出現失效時，動力效應顯著，易導致梁體傾覆，并且在連續梁中間墩處設置抗扭約束對提高連續梁橋的強健性有利。