獨柱墩橋梁橫向抗傾覆性影響因素研究

安海濤

(河北交規院瑞志交通技術咨詢有限公司 石家莊市 050091)

0 引言

近年來,獨柱墩橋梁傾覆事故引起行業高度重視。國內學者針對獨柱墩橋梁抗傾覆性問題進行了大量研究。劉鵬通過建立獨柱曲線梁橋有限元模型,對橋梁傾覆參數的敏感性進行分析[1];虢玉標等通過建立多個有限元模型,探究平曲線半徑、支座橫向間距和邊中跨比等因素對橋型抗傾覆穩定性的影響規律[2];曹愛虎采用Midas Civil Designer有限元模型研究獨柱墩箱梁橋抗傾覆設計的主要影響因素及防治措施[3];劉四田采用實體塊單元橋梁計算程序分別對直橋和彎橋進行計算,探討其抗傾覆能力及傾覆荷載[4];張振濤等基于橋寬與支座間距之比提出橋梁結構優化、中墩支撐偏心距調整、增設上下部結構連接裝置等抗傾覆加固措施[5];邢心魁等探討了合理的橋寬與支座間距比值和中墩支座預偏心對改善聯端支座不均勻受力的效果[6]。文章主要對梁端支座間距與梁寬之比進行深入剖析,采用有限元軟件研究其對獨柱墩橋梁橫向抗傾覆性的影響,以期為獨柱墩橋梁的設計及運營中的傾覆性判斷提供研究依據。

1 概述

獨柱墩橋梁因外觀簡潔、造價經濟、節約土地資源等優勢,被廣泛應用于高速公路匝道橋及市政立交橋。現有研究主要集中在對抗傾覆性影響因素的研究,對具體影響因素進行詳細分析的成果較少。文章以3m×25m鋼筋混凝土直線梁橋為例,建立有限元模型,分析不同梁寬下梁端雙支座間距與梁寬之比對獨柱墩橋梁橫向抗傾覆性的影響,進而確定合理的梁端支座間距與梁寬之比。

2 計算模型

文章選取三種常用的梁寬對多跨直線橋梁的抗傾覆穩定性進行對比分析。上部結構為鋼筋混凝土連續箱梁,跨徑為3m×25m,荷載等級為公路Ⅰ級,箱梁寬度分別為8.5m、9.5m和10.5m,梁高為1.4m;下部結構橋墩為柱式墩,樁基礎,其中2號墩、3號墩為獨柱墩,1號墩、4號墩為雙柱式墩(無蓋梁),支座布置如圖1所示。

圖1 箱梁支座平面布置示意圖

文章采用Midas Civil有限元軟件對箱梁進行建模計算,計算時考慮恒載、活載、溫度、收縮徐變、支座沉降等因素,運用Midas Civil Designer對獨柱墩橋梁進行抗傾覆性驗算。

3 抗傾覆驗算理論

3.1 基本原理

橋體橫向傾覆失穩直至垮塌的破壞過程表現為單向受壓支座脫離正常受壓狀態,上部結構的支承體系不再提供有效約束,上部結構扭轉變形,橫向失穩垮塌,支座、下部結構連帶損壞,具體見圖2。

圖2 典型破壞過程

傾覆過程存在2個明確特征狀態:在特征狀態1下,箱梁的單向受壓支座開始脫離受壓;在特征狀態2下,箱梁的抗扭支承全部失效。參考相關規范,采用上述2個特征狀態作為抗傾覆驗算工況。

(1)針對特征狀態1,作用基本組合下,箱梁橋的單向受壓支座處于受壓狀態。

(2)箱梁橋同一橋墩的一對雙支座構成一個抗扭支承,起到對扭矩和扭轉變形的雙重約束作用。當雙支座中一個支座豎向力失效后,另一個有效支座僅起到對扭矩的約束作用,失去對扭轉變形的約束。當箱梁的抗扭支承全部失效時,箱梁處于受力平衡或扭轉變形失效的極限狀態,即達到特征狀態2。對于特征狀態2,參考擋土墻、剛性基礎的橫向傾覆驗算,采用“穩定作用效應≥穩定性系數×失穩作用效應”表達式。

3.2 最不利反力法

最不利反力法以支座出現最不利反力的荷載工況為判據,求得該工況下全聯橋梁的支座并發反力,據此進行支座脫壓驗算和結構傾覆驗算。

判斷支座脫壓驗算是否通過的判據是:在作用基本組合下,各支座支反力滿足Fz≥0。判斷結構傾覆驗算是否通過的判據是:結構在最不利支座反力控制下,橫橋向傾覆穩定系數≥2.5。

4 梁端支座間距與梁寬之比對抗傾覆性的影響分析

為進一步研究梁端支座間距與梁寬之比對抗傾覆性的影響,采用8.5m、9.5m、10.5m三種箱梁寬度分析不同梁端支座間距下橋梁的抗傾覆穩定性,得出梁端支座間距與梁寬之比對抗傾覆性的影響規律。

4.1 箱梁寬度8.5m

建立梁端支座間距為2m、3m、4m、5m、6m、7m、8.5m的有限元模型,分析箱梁寬度為8.5m時不同梁端支座間距下的抗傾覆性能。在作用基本組合下,結構支座反力如表1所示。

表1 支座反力統計1 單位：kN

在最不利荷載組合下,結構橫橋向抗傾覆穩定系數如表2所示。

表2 抗傾覆穩定系數統計1

由表1和表2可知:(1)隨著梁端支座間距增加,最不利支座(1-1,4-1)逐漸從受拉狀態轉為受壓狀態,且支座反力逐漸增加。(2)隨著梁端支座間距增加,梁端內外側兩支座的反力差逐漸減小。(3)隨著梁端支座間距的增加,最不利支座(1-1,4-1)的抗傾覆系數逐漸增加。

4.2 箱梁寬度9.5m

建立梁端支座間距為3m、4m、5m、6m、7m、8m、9.5m的有限元模型,分析箱梁寬度為9.5m時不同梁端支座間距下的抗傾覆性能。在作用基本組合下,結構支座反力如表3所示。

表3 支座反力統計2 單位：kN

在最不利荷載組合下,結構橫橋向抗傾覆穩定系數如表4所示。

表4 抗傾覆穩定系數統計2

由表3和表4數據可知,箱梁寬度為9.5m與箱梁寬度為8.5m時的規律一致。

4.3 箱梁寬度10.5m

建立梁端支座間距為4m、5m、6m、7m、8m、9m、10.5m的有限元模型,分析箱梁寬度為10.5m時不同梁端支座間距下的抗傾覆性能。在作用基本組合下,結構支座反力如表5所示。

表5 支座反力統計3 單位：kN

在最不利荷載組合下,結構橫橋向抗傾覆穩定系數如表6所示。

表6 抗傾覆穩定系數統計3

由表5～表6數據可知,箱梁寬度為10.5m與箱梁寬度為8.5m時的規律一致。

4.4 結果對比分析

通過對比分析,可知梁端支座間距對橋梁抗傾覆性能的影響規律,但不同梁寬對橋梁的抗傾覆影響大小不一,在此主要對三種梁寬下梁端支座間距與梁寬之比對橋梁抗傾覆性能的影響進行研究,最終得出合適的梁端支座與梁寬之比。

梁端支座間距與梁寬之比固定時,在基本組合下,結構最小支座反力如圖3所示。

圖3 最小支座反力隨梁端支座間距與梁寬之比變化曲線

從圖3可以看出,隨著梁端支座間距與梁寬之比的增大,最小支座反力的變化呈正相關,且梁端支座間距與梁寬之比大于0.4時,支座脫空驗算滿足規范要求。

梁端支座間距與梁寬之比固定時,在最不利荷載組合下,結構抗傾覆穩定系數見圖4。

圖4 抗傾覆系數隨梁端支座間距與梁寬之比變化曲線

從圖4可以看出,隨著梁端支座間距與梁寬之比的增大,抗傾覆穩定系數的變化呈正相關,且梁端支座間距與梁寬之比大于0.6時,抗傾覆穩定系數均大于2.5,滿足規范要求。

5 結論

(1)梁寬確定時,梁端支座間距與梁寬之比增大,最小支座反力隨之增大,抗傾覆穩定系數基本呈線性增大關系。

(2)針對3孔連續箱梁,橋墩為獨柱墩的橋梁,梁端支座間距與梁寬之比大于0.6時,抗傾覆穩定系數和支座脫空驗算均滿足規范要求。

(3)當梁端支座間距與梁寬之比確定時,隨著梁寬增加,最小支座反力隨之增大。

(4)實際工程中,可適當增大梁端支座間距與梁寬之比來提高梁體的抗傾覆性能。