支座的橫向?qū)挾葘蛄嚎箖A覆性能的影響研究

尹俊成

(浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院 杭州市 310014)

0 引言

近年來,我國橋梁建設(shè)事業(yè)迅速發(fā)展。為了改善交通狀況,緩解壓力,各地政府大量修建城市高架、立交,希望建成立體交通網(wǎng)絡(luò)。獨(dú)柱墩連續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)簡單,占地面積小,地形適應(yīng)性好,可以有效避開城市地下復(fù)雜管線,避免地下通道的影響,減輕對已建成道路的影響,同時(shí)橋下行車視野開闊,過往車輛可以安全行駛,不會因視野不良造成交通事故。該橋外形簡潔美觀,能滿足城市景觀需求,造價(jià)也更加低廉[1]。

獨(dú)柱墩橋梁具有諸多優(yōu)點(diǎn),然而隨著獨(dú)柱墩連續(xù)梁橋的大量使用,獨(dú)柱墩傾覆事故的頻繁發(fā)生也已經(jīng)引起我國工程界、特別是設(shè)計(jì)人員對橋梁設(shè)計(jì)理論的思考。以前,橋梁設(shè)計(jì)人員往往只關(guān)心橋梁的縱向應(yīng)力分析,而忽略了橋梁結(jié)構(gòu)的橫向應(yīng)力分析,甚至忽略橋梁結(jié)構(gòu)的橫向抗傾覆穩(wěn)定性分析[2]。因此,2018年發(fā)布的《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》[3](以下簡稱“《規(guī)范》”)針對獨(dú)柱墩的抗傾覆能力添加了新規(guī)定,要求橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不小于2.5。除相關(guān)規(guī)范外,還出臺了一些專項(xiàng)技術(shù)要求。

在查閱相關(guān)規(guī)范的同時(shí),發(fā)現(xiàn)在獨(dú)柱墩梁橋抗傾覆驗(yàn)算中,并沒有把支座當(dāng)成一個(gè)面來考慮,而是當(dāng)成一個(gè)點(diǎn),這樣的計(jì)算方式使獨(dú)柱墩梁橋的支座只承受豎向反力,不承受扭矩,從而忽略了支座尺寸對橋梁橫向抗傾覆的有利影響。實(shí)際上,獨(dú)柱墩的支座能夠承擔(dān)一部分扭矩。對于現(xiàn)有的部分獨(dú)柱墩梁橋,按照支座的點(diǎn)支承計(jì)算,其不滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求。但考慮支座的橫向?qū)挾群?可能會滿足其抗傾覆穩(wěn)定性要求。文章探討?yīng)氈盏臉?gòu)造設(shè)計(jì)和精細(xì)化分析計(jì)算,依托科學(xué)合理的設(shè)計(jì),提升獨(dú)柱墩梁橋抗傾覆穩(wěn)定性。

1 理論分析

針對獨(dú)柱墩梁橋抗傾覆加固問題,一種有效的方法是在獨(dú)柱墩支座上增設(shè)支座,形成多支撐結(jié)構(gòu)。這種加固方案能顯著提升獨(dú)柱墩梁橋的抗傾覆能力。當(dāng)新增支座間距小于支座橫向?qū)挾葧r(shí),支座的橫向?qū)挾葧Κ?dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。王兵見等[4]通過理論推導(dǎo)了支座橫向?qū)挾葘蛄嚎箖A覆穩(wěn)定性的有利影響。莊東利[5]認(rèn)為,橋梁橡膠支座的橡膠是超彈性體材料,將彈性材料模擬為剛體的計(jì)算方法是不正確的。在橋梁傾覆過程中,應(yīng)深入研究支座的受力性能以及支座與箱梁之間的相互作用。由于在偏載作用下,橡膠支座橫向邊緣有一定的壓縮差,而這個(gè)壓縮差能形成一定的扭矩,理論上可抵消一部分荷載產(chǎn)生的扭矩,但抵消的多少,即對抗傾覆穩(wěn)定性影響的多少,需要通過支座寬度模擬來分析考慮支座實(shí)際的橫向?qū)挾葘箖A覆穩(wěn)定性的影響。傳統(tǒng)的點(diǎn)支承模擬無法反映這一點(diǎn)。此外,支座的彈簧系數(shù)和間距也是影響橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。因此,在計(jì)算分析獨(dú)柱墩梁橋抗傾覆穩(wěn)定時(shí),可以考慮增加支座實(shí)際橫向?qū)挾群蛷椈上禂?shù),以得到較為準(zhǔn)確的抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù),而不是作為安全裕度儲備。

文章以實(shí)際工程項(xiàng)目為依托,采用有限元分析軟件對獨(dú)柱墩梁橋進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性分析,通過使用點(diǎn)代線的方法模擬西環(huán)路板式橡膠支座的橫向?qū)挾?研究板式橡膠支座橫向?qū)挾葘Κ?dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的影響。

2 工程實(shí)例

西環(huán)路二號橋?yàn)闇貛X市西環(huán)路工程,工程全長658.65m,是分離式雙向六車道城市快速路跨線立交橋,道路中心平曲線半徑為2498.0m。

其中第二聯(lián)8～11跨全長68m,跨徑組合為20m+28m+20m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁;第三聯(lián)11～16跨全長124m,跨徑組合為20m+3m×28m+20m箱梁;第五聯(lián)21～26跨全長128m,跨徑組合為22m+3m×28m+22m箱梁,均為有2～4個(gè)獨(dú)柱墩的連續(xù)彎梁橋,其余橋梁屬于多柱支撐,不屬于單柱支撐,在此不做研究。單幅橋面寬度為0.5m(防撞護(hù)欄)+16.0m(機(jī)動車道)+0.5m(防撞護(hù)欄)=17m,橋面鋪裝為6cm瀝青混凝土(23kN/m3)+防水層+8cm 40號防水混凝土(24kN/m3),防撞護(hù)欄為9.5kN/m,汽車荷載為城-A級。獨(dú)柱墩上支座為2塊700mm×1000mm×183mm板式橡膠支座拼接而成,邊墩上支座為2塊350mm×500mm×79mm板式橡膠支座。圖1為第二聯(lián)支座布置示意圖。邊墩支座如圖2所示。

圖1 第二聯(lián)支座布置示意圖

圖2 獨(dú)柱墩支座平面圖(單位:cm)

3 數(shù)值仿真模擬

文章利用Midas Civil軟件對西環(huán)路梁橋的上部結(jié)構(gòu)及支座進(jìn)行了實(shí)體精細(xì)化建模。為了準(zhǔn)確模擬橋梁受力情況,采用梁格法建模[6],并分析支座橫向?qū)挾葘α簶蚩箖A覆穩(wěn)定性的影響。

在進(jìn)行支座建模時(shí),分別采用了通常情況下的單點(diǎn)支承和文章考慮支座橫向?qū)挾鹊亩帱c(diǎn)支承。在模擬支座橫向?qū)挾鹊亩帱c(diǎn)支承時(shí),將支座橫向等分,取其中心進(jìn)行支座橫向?qū)挾饶M,并根據(jù)支座整體的彈簧系數(shù)平均分配到各個(gè)點(diǎn)支撐。各點(diǎn)支撐僅模擬豎直方向彈簧系數(shù)和水平方向彈簧系數(shù),支座彈簧系數(shù)詳見表1。

表1 獨(dú)柱墩支座多點(diǎn)支承彈簧系數(shù)及間距

采用Midas Civil 及Civil Designer對橋梁進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算,按《規(guī)范》第4.1.8條規(guī)定,持久狀況下,梁橋不應(yīng)發(fā)生結(jié)構(gòu)體系改變,并應(yīng)同時(shí)滿足下列規(guī)定:

(1)在作用基本組合下,單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)。

(2)按作用標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行組合時(shí),按照《規(guī)范》第7.1.1條取用,整體式截面簡支梁和連續(xù)梁的作用效應(yīng)需符合式(1)要求:

(1)

式(1)中:kqf為橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)(簡稱抗傾覆系數(shù)),取kqf=2.5;∑Sbk,i為使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應(yīng)設(shè)計(jì)值;∑Ssk,i為使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的效應(yīng)設(shè)計(jì)值。

在模擬獨(dú)柱墩支座的橫向?qū)挾葧r(shí),獨(dú)柱墩支座采用剛性連接+彈性連接+固定支承來模擬支座的彈性連接。通過增加橫向彈性連接點(diǎn)的數(shù)量,來精確模擬支座的橫向?qū)挾取６叾罩ё鶅H采用單點(diǎn)彈性連接模擬,西環(huán)路第二聯(lián)單點(diǎn)彈性連接有限元模型如圖3所示,傾覆結(jié)果詳見表2、表3。

表2 西環(huán)路第二聯(lián)作用基本組合支點(diǎn)最小反力

表3 西環(huán)路第二聯(lián)傾覆驗(yàn)算-橫橋向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

圖3 西環(huán)路第二聯(lián)單點(diǎn)彈性連接圖

西環(huán)路第二聯(lián)最小支反力為-196kN,抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為1.36,不滿足規(guī)范要求。為節(jié)省篇幅,文章將省略比較大小的步驟,僅列出最終結(jié)果。

西環(huán)路第三聯(lián)最小支反力為-921kN,抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為0.92,不滿足規(guī)范要求。

西環(huán)路第五聯(lián)最小支反力為-816kN,抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為1.00,不滿足規(guī)范要求。

按規(guī)范計(jì)算西環(huán)路抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)遠(yuǎn)小于2.5,但西環(huán)路自2005年運(yùn)營至今并未發(fā)生傾覆事故,全橋年度橋梁檢測的技術(shù)狀況均為B級,存在近年沒有重載、超載車輛通過的原因。但為了安全起見,根據(jù)《要求》也應(yīng)盡快進(jìn)行西環(huán)路或東環(huán)路獨(dú)柱墩加固。

獨(dú)柱墩彈性連接的支反力與抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)詳見表4,其支反力與抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均取邊跨支座最小值。

表4 獨(dú)柱墩多點(diǎn)支撐對橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的影響

4 結(jié)果分析

為方便查看規(guī)律,繪制了多點(diǎn)彈性連接最小支反力與橫橋向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)曲線圖,如圖4、圖5所示。

圖4 多點(diǎn)彈性鏈接最小支反力

圖5 多點(diǎn)彈性鏈接橫橋向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

由圖可知,隨著彈性連接點(diǎn)數(shù)量增加,最小支反力與抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)逐漸增大。增長速度在單點(diǎn)彈性連接到兩點(diǎn)彈性連接時(shí)較快,這是因?yàn)閱吸c(diǎn)支承未考慮支座能夠抵抗一部分扭矩的影響。隨后,增長速度逐漸放緩,說明支座的橫向?qū)挾戎荒艿挚褂邢薅鹊呐ぞ亍?/p>

在考慮支座橫向?qū)挾群?西環(huán)路第二聯(lián)、第五聯(lián)獨(dú)柱墩梁橋均能夠滿足《規(guī)范》要求。然而,對于第三聯(lián)連續(xù)彎梁橋,從增長趨勢來看,邊跨支座支反力仍可能為負(fù)值,表明支座橫向?qū)挾戎荒芪沼邢薜呐ぞ亍Ｒ虼?應(yīng)該先對第三聯(lián)獨(dú)柱墩連續(xù)彎梁橋進(jìn)行加固。

橋梁設(shè)計(jì)過程中,支座雖然是很小的傳力構(gòu)件,卻非常重要。在獨(dú)柱墩單支點(diǎn)橫向計(jì)算時(shí),往往當(dāng)作點(diǎn)鉸支撐,未考慮支座橫向?qū)挾葘ζ錂M向受力影響。實(shí)際上,在車輛荷載偏載作用下,支座內(nèi)外存在壓縮差,從而會形成一個(gè)橫向彎矩,對橋墩造成不利影響。某些獨(dú)柱墩橋梁事故也是由于橋墩橫向強(qiáng)度不足而彎曲破壞,這也間接證明獨(dú)柱墩單點(diǎn)支撐的支座可以吸收一部分扭矩。獨(dú)柱墩支座的橫向?qū)挾仍綄?支座與橋墩接觸面積就越大,支座就可以提供更多的摩擦力用以抵抗橋梁的傾覆。因此,考慮支座的橫向?qū)挾?能夠顯著提高獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

文章考慮獨(dú)柱墩連續(xù)彎梁橋支座的橫向?qū)挾?通過對溫嶺市西環(huán)路三聯(lián)連續(xù)彎梁橋進(jìn)行Midas Civil建模分析,得出如下結(jié)論:

(1)獨(dú)柱墩支座有限度的抗扭能力對梁橋抗傾覆穩(wěn)定性有較大影響,支座橫向?qū)挾仍酱?可抵抗的扭矩也就越大,對梁橋抗傾覆穩(wěn)定性提升就越大。

(2)今后在獨(dú)柱墩梁橋設(shè)計(jì)和在役橋梁加固分析中,可以適當(dāng)考慮獨(dú)柱墩支座的橫向?qū)挾葘α簶蚩箖A覆的有利影響,以節(jié)約造價(jià)。

(3)今后在獨(dú)柱墩梁橋設(shè)計(jì)和在役橋梁加固分析中,可以適當(dāng)考慮獨(dú)柱墩支座的橫向?qū)挾葘α簶蚩箖A覆的有利影響,以節(jié)約造價(jià)。