獨(dú)柱墩箱梁橋抗傾覆性能的比較分析

黃小峰 張 杰

(河南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450052)

獨(dú)柱墩箱梁橋抗傾覆性能的比較分析

黃小峰 張 杰

(河南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450052)

從JTG D62中國公路橋梁規(guī)范(討論稿)對結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定要求的相關(guān)條文出發(fā)，通過對獨(dú)柱墩箱梁橋孔布置、支座設(shè)置、橋面寬度、曲線半徑等影響參數(shù)進(jìn)行有限元數(shù)值分析，得到了獨(dú)柱墩箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)和支座應(yīng)力隨以上參數(shù)改變而變化的規(guī)律，并以此得出了其抗傾覆穩(wěn)定設(shè)計(jì)的相關(guān)結(jié)論。

獨(dú)柱墩，傾覆，穩(wěn)定系數(shù)，影響因素

獨(dú)柱墩箱梁橋下部結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單、行車視線開闊且建設(shè)占地少、費(fèi)用經(jīng)濟(jì)。在很多互通立交跨線橋的空間位置受到限制的情況下，通常成為最優(yōu)橋型選擇。但其也有一定的結(jié)構(gòu)受力缺點(diǎn)，因?yàn)楠?dú)柱墩在橫橋向采用單支點(diǎn)支撐，故在汽車偏載作用下，對結(jié)構(gòu)的橫向抗傾覆穩(wěn)定不利，容易造成支座脫空、支座不均勻壓縮引起梁體整體偏移等，具有一定的安全隱患。目前，道路超載運(yùn)輸現(xiàn)象較為普遍，加之橋梁規(guī)范對橋梁傾覆計(jì)算規(guī)定不明確，導(dǎo)致盡管橋梁設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求，但實(shí)際處于運(yùn)營期的橋梁卻多發(fā)生傾覆事故。這既有超載的原因，也有獨(dú)柱墩設(shè)計(jì)考慮不足的問題。本文從獨(dú)柱墩橋梁設(shè)計(jì)需滿足JTG D62中國公路橋梁規(guī)范(討論稿)對結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定要求的相關(guān)條文出發(fā)，對獨(dú)柱墩的橋孔布置、支座設(shè)置、橋面寬度、曲線半徑等與獨(dú)柱墩的抗傾覆穩(wěn)定性相關(guān)的幾個(gè)因素進(jìn)行計(jì)算比較。得出各種因素對獨(dú)柱墩橋抗傾覆能力的影響，從而為獨(dú)柱墩箱梁橋的設(shè)計(jì)提供一些參考[1,2]。

1 抗傾覆穩(wěn)定性的判斷準(zhǔn)則[3]

國內(nèi)外的橋梁規(guī)范中，對橋梁結(jié)構(gòu)偏載作用下側(cè)向傾覆失穩(wěn)問題均未明確的定義和要求，不過對此類問題均有相關(guān)的表述，但不盡相同。JTG D62—2012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(討論稿)第4.1.10規(guī)定，橋梁上部結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算應(yīng)在作用標(biāo)準(zhǔn)值組合(汽車荷載考慮沖擊作用)下滿足下式要求：1)Kqf=Sbk/Ssk>2.5,其中，Kqf為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；Sbk為使上部結(jié)構(gòu)傾覆的汽車荷載(含沖擊作用)標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)；Ssk為使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合。2)單向受壓支座不應(yīng)處于脫空狀態(tài)。雖然國內(nèi)外都提出相應(yīng)的要求，但是不外乎有兩個(gè)判斷準(zhǔn)則：1)遠(yuǎn)離偏載側(cè)的支座的支反力受力大小。2)結(jié)構(gòu)自身的抗傾覆力矩是否大于偏載的傾覆力矩。前者是橋梁結(jié)構(gòu)支撐的邊界條件，后者是結(jié)構(gòu)在活載下受力平衡問題。橋梁抗傾覆穩(wěn)定性可以從這兩個(gè)方面加以判別。

2 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算方法[4]

假設(shè)在計(jì)算受力時(shí)，不考慮箱梁變形對受力的影響。箱梁橋的傾覆是剛體在平面不平衡受力條件下的轉(zhuǎn)動。在重載偏載交通下獨(dú)柱墩箱梁橋的傾覆過程為梁端一側(cè)支座先脫空，然后其他支座依次脫空，最終當(dāng)剩余支座處于一條直線之上時(shí)橋梁傾覆，因此傾覆軸可以定義為最后剩余未脫空支座的連線，且這些支座必須位于同一條直線上，傾覆軸外側(cè)再無支點(diǎn)。如圖1所示，否則將形成三足鼎立的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。從圖1可以看出，傾覆平衡狀態(tài)的確定跟曲率半徑、跨徑、橋孔數(shù)、橋臺支點(diǎn)間距等因素有關(guān)。

確定傾覆軸后，即可按下式計(jì)算箱形截面獨(dú)柱墩橋的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)：

(1)

其中，RGi為成橋恒載狀態(tài)下各支座反力；xi為各支座到傾覆軸線的垂直距離；μ為沖擊系數(shù)；qk為車道荷載中的均布線荷載；y(x)為車道均布線荷載到傾覆軸線的距離；Pk為車道集中荷載；e為加載車道中心線距傾覆軸線的最大垂直距離。

對于支座最小壓應(yīng)力的計(jì)算：

(2)

滿足σ≥0。其中，σ為壓應(yīng)力；σc為支座使用階段的平均壓應(yīng)力；R為支座半徑；r為點(diǎn)到支座中心的距離；Rck為支座壓力標(biāo)準(zhǔn)值，汽車荷載應(yīng)計(jì)入沖擊系數(shù)；Ae為支座有效承壓面積(承壓加勁鋼板面積)。

3 抗傾覆穩(wěn)定性影響因數(shù)分析[5，6]

1)建立模型。根據(jù)常規(guī)獨(dú)柱墩箱梁橋設(shè)計(jì)參數(shù)，選擇三類最具代表性的橋梁進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性分析研究，模型1為6×20 m、模型2為4×30 m、模型3為4×25 m的(n×L)型的預(yù)應(yīng)力混凝土獨(dú)柱墩箱梁橋。三類模型支撐形式均采用盆式橡膠支座，梁高分別為1.4 m，1.8 m,1.6 m，計(jì)算分析模式如圖2所示。計(jì)算采用通用空間有限元分析軟件Midas Civil 2010建立三類模型的成橋狀態(tài)，提取支座反力，按照J(rèn)TG D62—2012規(guī)范(討論稿)要求進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算。在公路—Ⅰ級、密集55 t車列和超載車輛(3輛125 t貨車)3種荷載工況下按照式(1)和式(2)分別計(jì)算的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)和支座應(yīng)力，并進(jìn)行比較分析。

2)橋跨設(shè)置。根據(jù)橋梁跨度、線形、荷載等要求，可以將獨(dú)柱墩橋布置多跨連續(xù)梁等形式。以橋?qū)?.5 m，支座間距4 m在直線上的橋布置成6×20 m,4×30 m,4×25 m連續(xù)梁為例，分析橋跨布置對其抗傾覆能力的影響。從表1可以看出，獨(dú)柱墩直線箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)對梁長的變化不敏感，且不同梁長其系數(shù)基本一致。相同梁長，跨徑越大，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)越大。從表2可以看出，在恒載和活載下支座不脫空，但是支座應(yīng)力是隨跨徑的增大而增大。對于直線橋來說，公路—Ⅰ級作為驗(yàn)算活載明顯是偏不安全。密集55 t車列驗(yàn)算可以考慮作為設(shè)計(jì)驗(yàn)算荷載，超載車輛當(dāng)成傾覆極限狀態(tài)來驗(yàn)算。

表1 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果(一)

活載工況6×20m4×30m4×25m傾覆力矩/kN抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K傾覆力矩/kN抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K傾覆力矩/kN抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K公路—Ⅰ級1538．422．91538．424．61358．723．0密集55t車3675．89．63675．810．32878．410．9超載車輛3012．111．73012．112．62937．210．6

表2 偏載作用下支座應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(一)

3)橋臺支座間距。橋梁在橫橋向可以布置成單支座、雙支座或多支座形式。獨(dú)柱墩橋梁采用橋臺雙支設(shè)置，中間獨(dú)柱墩采用單支座。以一個(gè)寬8.5 m，在直線上的6 m×20 m橋，來比較不同的橋臺支座間距對其抗傾覆能力的影響。

表3 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果(二)

表4 偏載作用下支座應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(二)

從表3可以看出，在其他條件不變的情況下，隨著橋臺支座間距的增大，傾覆力矩逐漸減小，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)逐漸增大。表明隨著橋臺支座間距的增加，結(jié)構(gòu)抗傾覆效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，安全性能明顯提高。從表4可以看出，橋臺臺支反力隨著支座的間距的加大，分配更加均勻了。當(dāng)達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，活載作用范圍始終在橋臺支座連線的范圍內(nèi)時(shí)，橋梁將不會發(fā)生傾覆。

4)橋梁寬度。為了分析橋?qū)挾葘Κ?dú)柱墩橋抗傾覆能力的影響，分別取寬度B=8.5 m，10.5 m，12 m，截面的懸挑長度分別為1.5 m，2 m，2.5 m。支座橫向間距取為橋?qū)挾鹊?/2，采用4×30 m等跨連續(xù)梁布置。從表5，表6和荷載作用傾覆示意圖可知，在其他條件相同的情況下，橋?qū)挾仍酱螅瑑A覆荷載作用范圍與獨(dú)柱墩橋橋面總的作用面積的比值越小，表明匝道橋抗傾覆的能力越強(qiáng)，安全性越高。再次反映出橋臺支座間距對抗傾覆力矩顯著的影響。同時(shí)說明在設(shè)計(jì)時(shí)懸挑長度不宜過長。

表5 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果(三)

表6 偏載作用下支座應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(三)

5)平面曲線半徑。獨(dú)柱墩箱梁橋線形可以是曲線，下面以不同半徑圓曲線的曲線橋來分析曲率半徑對獨(dú)柱墩箱梁橋抗傾覆能力的影響。以橋跨為4×30 m，寬10.5 m，橋臺支座間距4 m的箱梁橋?yàn)槔谋?，表8可以看出，隨著半徑R逐步減小。曲線橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)逐步提高。即橋越彎越不容易整體傾覆。大半徑曲線梁橋即微彎橋，其抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)最小，其次是直線橋，最后是小半徑曲線梁橋。

表7 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果(四)

表8 偏載作用下支座應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(四)

除上述因素外，影響箱梁橋抗傾覆能力的因素還有汽車產(chǎn)生的離心力和沖擊力以及橋梁結(jié)構(gòu)的截面重心高度。同時(shí)下部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度也對其有著重要的影響。

4 結(jié)論與建議

通過對各個(gè)參數(shù)影響下獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定的驗(yàn)算和分析，得到以下結(jié)論，為今后相近橋梁設(shè)計(jì)提供一些參考：

1)在設(shè)計(jì)獨(dú)柱墩箱梁橋時(shí)必須進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算，尤其是橋墩全部為獨(dú)柱墩形式的窄橋。驗(yàn)算荷載應(yīng)采用偏安全的密集車列。2)橋臺支座間距直接關(guān)系到整個(gè)橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性。對于設(shè)置雙支座的箱梁，應(yīng)盡量加大支座橫向距離或者在梁端內(nèi)側(cè)采用拉壓雙向支座。對于橋?qū)捲? m～12 m獨(dú)柱墩箱梁橋橋臺支座間距可取1/3～1/2的橋?qū)挕?)對于4×25 m獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁橋(橋?qū)?0.5 m)而言，半徑約處于200 m～500 m范圍時(shí)抗傾覆能力較弱，處于其他較大半徑或較小半徑時(shí)橋梁抗傾覆相對有利，但曲率半徑越小，獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)對梁長的變化越敏感。4)獨(dú)柱墩箱梁橋位于傾覆軸線上的支座應(yīng)力均較成橋狀態(tài)下的支座應(yīng)力大幅度提高，提高幅度為50%以上，其中獨(dú)柱墩越多，提高越大。相反，不在傾覆軸線上的支座的應(yīng)力減小，降低幅度10%以上，當(dāng)設(shè)置連續(xù)獨(dú)柱墩三、四跨時(shí)，降低幅度達(dá)到50%左右。

5 有待進(jìn)一步研究的問題[7-9]

從獨(dú)柱墩箱梁的抗傾覆穩(wěn)定性能的設(shè)計(jì)計(jì)算中可以看出，獨(dú)柱墩箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定設(shè)計(jì)驗(yàn)算需要進(jìn)一步分析研究以下問題：1)需要建立考慮彈性扭轉(zhuǎn)變形的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算公式。2)應(yīng)對偏載下的驗(yàn)算荷載做進(jìn)一步研究。3)對箱梁橋傾覆過程中支座的受力性能和支座與箱梁間的相互作用應(yīng)進(jìn)行深入研究。4)需要對橋梁的抗傾覆穩(wěn)定安全評價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行系統(tǒng)全面的研究。

[1] 王海豐.連續(xù)箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定性分析[J].北方交通，2013(2)：53-56.

[2] 向 紅，曾 愛.高速公路匝道橋抗傾覆能力研究[J].北方交通，2013(9)：45-49.

[3] 梁 峰.三跨獨(dú)柱連續(xù)梁橋抗傾覆能力研究[J].公路，2009(10)：40-43.

[4] 姜愛國，楊 志.獨(dú)柱墩曲線梁橋傾覆軸線研究[J].世界橋梁，2013,41(4)：58-61.

[5] 於文超，陳帝江.獨(dú)柱墩直線梁與曲線梁抗傾覆穩(wěn)定性對比分析[J].公路交通技術(shù)，2013,10(5):71-74.

[6] 姚玉強(qiáng)，張 磊，張 楊.中小跨徑連續(xù)梁橋箱梁抗傾覆計(jì)算研究[J].西南公路，2013(1)：64-67.

[7] 莊冬利.偏載作用下箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定問題的探討[J].橋梁建設(shè)，2014，44(2)：27-30.

[8] 曹 景，劉志才，馮希訓(xùn).箱形截面直線橋及曲線橋抗傾覆穩(wěn)定性分析[J].橋梁建設(shè),2011，44(3):69-74.

[9] 陳 瑤，陳露嘩，張建華.獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算方法及參數(shù)影響分析[J].浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，14(3)：1-6.

Comparative analysis of overturning performance of single column pier box girder bridge

Huang Xiaofeng Zhang Jie

(HenanProvinceCommunicationsPlanningSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,Zhengzhou450052,China)

From the relevant provisions of the stability requirements of the structure to resist overturning inChineseHighwayBridgeDesignCode(JTG D62 draft), by means of finite element analysis for the influence of parameters of single column pier box girder span layout, support set, the width of the deck, the curve radius, then get the safety factor of stability and bearing stress with the change of the above parameters of single column pier box girder overturning, and concludes the relevant conclusions of the anti overturning stability design.

single-column pier, overturning, stability coefficient, influencing factors

2015-03-28

黃小峰(1985- )，男，碩士，助理工程師; 張 杰(1987- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)16-0177-03

U448.213

A