大跨徑連續曲線梁橋抗傾覆穩定性分析

【中圖分類號】：U441 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）04-17-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.04.005

Stability Analysis of Long-span Continuous Curved Girder Bridge Anti-overturning

HEXingwen，LIANGJiahao'，SHILei2，GUOZihua2

1.SchoolffrastructureEngineering，alianUniversityofTehnology，Dalian64，China;2.DesignInstituteofCivilEig amp;Architecture of DalianUniversity of Technology Co.，Ltd.，Dalian116ooo，China）

【Abstract】：Toanalyzetheanti-overturningstabilityoflong-spancurvedgirderbridgesundertraffcloads，theself-developed vehicle-bridge coupling vibration analysis program wasunutilized toestablish a three-dimensional finite elementbridge modelanda17-degree-of-freedomvehicle dynamic model.The vehicle-bridgecoupling vibration equation wasderived based onthe finite element method and d'Alembert's principle.A numerical simulation FORTRAN program was developed based on the modal superposition method and Newmark- β numericalintegration method to investigatethe response characteristicsofvehicle speed，vehicledriving eccentricity，bridge support spacing and other factors on the bridge support reaction.The influence of these factors on the bridge anti-overturning stability was analyzed.

【Keywords】：curved girder bridge；vehicle-bridge coupling；anti-overturning

隨著我國交通基礎設施建設的發展，為了適應路線設計需要并提升整體美觀性，越來越多的曲線梁橋被廣泛應用于公路交通中。因結構特點，曲線梁橋的抗傾覆穩定性一直是工程中關注的重要問題。傾覆事故的發生往往與多種因素有關，包括設計缺陷、施工質量、車輛超載影響、外部環境因素等；盡管在設計和施工過程中采取了多種措施以確保其安全性，曲線梁橋因其結構特點在特定條件下仍可能比其他橋型面臨更大的傾覆風險。

我國目前缺少曲線梁橋的專門設計規范，鑒于實際服役中的傾覆事故時有發生，一些學者對曲線梁橋抗傾覆問題進行了研究。周子杰等結合理論研究與有限元技術，歸納出在不同的曲率半徑和支座布局條件下如何選擇傾覆軸；SHI等2-3基于多個橋梁傾覆案例，識別了幾種不同的失效方式，提出橋梁的傾覆有時是由于結構部件的強度失效導致，指出在計算橋梁的抗傾覆系數時，需考慮到傾覆力矩臂；ZHUANGD等4研究了在重型車輛偏載作用下橋梁上部結構整體失穩過程，發現結構的損壞通常始于支座脫空，最終導致主梁發生滑移，而不是通過剛體的旋轉。然而，基于橋梁和車輛的三維立體模型對行車荷載下橋梁的動力響應進行精確數值模擬，對曲線橋梁抗傾覆問題進行深入分析的研究卻較少，本文以廣西大藤峽某大跨徑曲線連續梁橋為對象，建立三維有限元橋梁模型及17自由度車輛動力模型，基于有限元法和達朗貝爾原理推導了車橋耦合振動方程，并基于模態疊加法以及Newmark- ?{β 數值積分方法編制高精度車橋耦合數值模擬FORTRAN程序，分析各因素對橋梁抗傾覆穩定性的影響規律。

1曲線梁橋車橋耦合振動分析

1.1車輛模型

選取常見的三軸整車建立三維動力模型，主要由1個車體，6個懸掛裝置，6個車輪及車體與懸掛裝置之間、懸掛裝置和車輪之間的連接彈簧和阻尼結構組成。模型考慮了車體和懸掛裝置的各個振動自由度、車輪的質量和運動，基于 D^′Alember 原理推導車輛振動方程。車輛與橋梁間的耦合作用通過車輪接地點的位移變形協調條件來實現，具體變量和參數及詳細的車橋耦合振動方程推導過程參照文獻[5]。見圖1。

1.2研究對象

1.2.1工程概況

以廣西省大藤峽水利樞紐大壩下游 1.9km 處的壩下交通橋其中三跨曲線連續梁橋為研究對象。

縱向布置為 3×40m ，曲率半徑為 60m ，主梁截面 為單箱三室箱型截面，采用C50混凝土，鋪裝 8cm 瀝 青混凝土，主梁寬度為 14.5m ，分別在各支座位置處 設置橫隔板，橫隔板縱向寬度為 1m ，箱梁頂板厚度為 0.26m ，底板厚度為 0.24m ，腹板厚度為 0.5m ，箱梁頂 板寬度為 14.5m ，底板寬度為 11m ，翼緣懸臂長1.5 m ，梁高 2.5m 。見圖2。

1.2.2橋梁有限元模型

利用有限元方法中的梁格法對橋梁建模，采用三維梁單元將整橋簡化636個節點和1290個單元，主梁和橋墩之間通過彈簧單元模擬橡膠支座連接。見圖3。

圖3橋梁有限元模型

2曲線梁橋抗傾覆穩定性系數

根據JTG3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》，抗傾覆系數需滿足

式中： 為穩定效應； 為失穩效應; k_qf 為抗傾覆系數。

式中： R_Gki 為永久作用下第 i 個橋墩處支座失效反力； R_Qki 為可變作用下第 i 個橋墩處支座失效反力; l_i 為第 i 個橋墩處支座中心距。

3曲線梁橋抗傾覆穩定性分析

3.1車輛行駛速度影響

選取 30.40，50，70.90km/h 共5種車速進行分析。設定車輛行駛偏心距 e=-2m（e 為車輛中心與主梁中心線的距離，位于外側時取負值），橋面不平整度為B級，無載重。

車輛速度與橋梁支座反力之間并非線性關系，橋梁支座反力隨著速度的增加呈現先增后減的趨勢，當車速達到 70km/h 時反力峰值最大。見圖3。

圖3不同車速跨中支座反力

隨著速度增加，抗傾覆穩定性系數并非呈線性變化。在車速達到 70km/h 時，橋梁的最小抗傾覆穩定性系數最低，可以推測此速度下車輛與橋梁可能發生共振，從而降低其抗傾覆穩定性。見表1。

表1不同車速抗傾覆穩定性系數

3.2車輛偏心行駛影響

與直線橋不同，曲線橋因固有的曲率，在行車荷載下會受到偏心力影響，從而產生彎扭耦合的振動反應，特別是在大曲率曲線橋上，這種影響更為明顯。分別設定車輛行駛偏心距為 4、2、-2、-4m 共4種工況，車速 30km/h ，路面粗糙度B級，無載重，對橋梁抗傾覆穩定性系數的影響進行分析。

車輛行駛位置由內側到外側變化時，跨中支座反力先減后增， e=2m 時反力最小， e=-2m 時反力明顯比e=4m 時大，表明越靠近橋梁中線行駛，引起的曲線梁橋支座反力越小，同時在內側行駛時的反力比在外側時要小。見圖4。

圖4不同偏心距跨中支座反力

車輛由內側行駛到外側過程中抗傾覆穩定性系數逐漸減小，表明車輛在橋梁外側行駛時更容易造成曲線梁橋的傾覆事故。因此在分析車輛行駛對曲線梁橋的影響時，考慮車輛在橋面上的最不利行駛位置是非常重要的。見表2。

表2不同車輛偏心下橋梁抗傾覆穩定性系數

3.3支座間距的影響

設置原始支座間距為 6m ，通過調整至 4，8，10m 的間距進行對比分析。車速 30km/h 、行駛偏心距-2m ，橋面不平整度為B級，無載重。

橋梁中跨支座反力隨支座間距增大不斷減小。因此，擴大支座間距是減輕曲線梁橋彎扭耦合效應的一個有效方法。見圖5。

4結論

1曲線梁橋抗傾覆系數與車速有關，但并非與車速變化成線性關系，車輛與橋梁發生共振情況下對結構穩定性影響最大。

2）車輛行駛位置對抗傾覆系數有明顯影響，因此考慮車輛在橋面上的最不利行駛位置對曲線梁橋抗傾覆穩定性非常重要。

3）隨著支座間距的增加，抗傾覆系數逐漸增大。因此，設計時在符合規范要求的前提下，應盡可能設置較大的支座間距以提高曲線梁橋的抗傾覆能力。

圖5不同支座間距跨中支座反力

隨著支座間距的增加，曲線梁橋最小抗傾覆穩定性系數也逐漸增大。因此設計時在符合規范要求的前提下，應盡可能設置較大的支座間距以提高曲線梁橋的抗傾覆能力。見表3。

表3不同支座間距下橋梁抗傾覆穩定性系數

參考文獻：

[1]周子杰，阮欣，石雪飛.梁橋橫向穩定驗算中傾覆軸的選取[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2013，32（5）：907-910.

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[5]劉平博.車橋耦合作用下曲線橋梁動力響應特性研究[D].大連：，2023.