王 剛
(山西路橋東二環(huán)高速公路有限公司,山西 太原 030006)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,城市交通受地形或地物限制日益嚴(yán)重,為了改善交通擁堵現(xiàn)狀,城市立交橋和高架橋得到廣泛運(yùn)用[1-2]。立交橋互通匝道通常采用占地量小、結(jié)構(gòu)輕巧、行車舒適的獨(dú)柱墩曲線橋,當(dāng)遇到嚴(yán)重超載偏載情況時(shí),橋梁會(huì)出現(xiàn)傾覆破壞[3-4]。近年來,我國(guó)發(fā)生多起因汽車超載致使曲線橋傾覆倒塌事故,造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡[5]。目前,國(guó)內(nèi)在獨(dú)柱墩曲線橋設(shè)計(jì)過程中大多僅考慮抗彎、抗剪性是否滿足規(guī)范要求,而對(duì)曲線橋的抗傾覆穩(wěn)定性沒有足夠重視[6]?;诖?,筆者以某城市快速路匝道橋曲線部分為研究背景,運(yùn)用Midas Civil有限元軟件,建立橋梁仿真模型,針對(duì)不同曲線半徑、支座布置和邊中跨比的獨(dú)柱墩曲線橋進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性分析,研究結(jié)果可為獨(dú)柱墩連續(xù)梁橋的抗傾覆設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
依托某快速路匝道橋曲線部分為研究背景,其上部結(jié)構(gòu)為三跨鋼-混組合連續(xù)梁,下部結(jié)構(gòu)采用獨(dú)柱墩、承臺(tái)接灌注樁基礎(chǔ),橋梁每跨的中心線均為20 m,曲線半徑R=120 m,該匝道橋?yàn)閱蜗鋯问蚁淞海捎脝蜗螂p車道形式設(shè)計(jì),橋面寬度8 m,其橋梁整體布置及橫斷面如圖1所示。
圖1 獨(dú)柱墩曲線橋布置情況(單位:cm)
考慮到獨(dú)柱墩曲線橋的構(gòu)造特點(diǎn)及計(jì)算精度要求,運(yùn)用Midas Civil建立有限元模型進(jìn)行數(shù)值分析,曲線橋計(jì)算模型如圖2所示。模型中上部混凝土板結(jié)構(gòu)與下部鋼箱結(jié)構(gòu)均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。
圖2 曲線橋計(jì)算模型
其中支座采用彈性連接,支座與主梁為剛性連接,支座與墩頂為固結(jié)連接。橋梁支座編號(hào)和傾覆軸線的布置如圖3所示。
圖3 支座及傾覆軸線布置
計(jì)算過程中考慮了恒載、基礎(chǔ)變位、溫度及汽車荷載的作用,各參數(shù)取值如下:
a)恒載 橋面混凝土層厚20 cm,重度25 kN/m3,瀝青混凝土層厚10 cm,重度23 kN/m3,鋼材重度78.5 kN/m3,單側(cè)護(hù)欄每延米10 kN/m。
b)基礎(chǔ)變位 支座不均勻沉降8 mm。
c)溫度荷載 按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范JTG D60—2004》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。
d)汽車荷載 采用公路-I級(jí)雙車道荷載,考慮沖擊荷載,根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范JTG D60—2004》中最不利偏載布置規(guī)定,選取車道中心線距橋邊側(cè)1.4 m作為最不利車道位置。
在原曲線半徑120 m獨(dú)柱墩曲線橋梁的基礎(chǔ)上,通過增加60 m、240 m和600 m三種不同曲線半徑橋梁,針對(duì)不同曲線半徑情形下的獨(dú)柱墩曲線橋進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性分析。
通過對(duì)車載偏載作用下各獨(dú)柱墩曲線橋梁進(jìn)行數(shù)值分析,獲得最大傾覆效應(yīng)時(shí)各支座反力如圖4所示,并根據(jù)《公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝主橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62—2012)中相關(guān)公式分別對(duì)各獨(dú)柱墩曲線橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,得出結(jié)果如圖5所示。
圖4 不同曲線半徑情形下支座反力變化情況
圖5 不同曲線半徑的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)
根據(jù)圖4可知,在車輛偏載作用下,曲線半徑不會(huì)對(duì)橋梁中墩支座反力產(chǎn)生明顯影響,但對(duì)橋臺(tái)雙支座的反力影響較為明顯。通過對(duì)比橋臺(tái)雙支座結(jié)構(gòu)中內(nèi)外兩側(cè)的支座反力數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),兩橋臺(tái)內(nèi)側(cè)的支座反力均小于外側(cè),且當(dāng)曲線半徑越大,內(nèi)外側(cè)的支座反力差值越小,說明此時(shí)雙支座結(jié)構(gòu)的受力越平穩(wěn),其內(nèi)側(cè)支座也就越難發(fā)生脫空損害。由圖5可知,當(dāng)曲線半徑小于240 m時(shí),橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨著曲線半徑增大逐漸減小,其原因?yàn)榍€橋的穩(wěn)定力矩和傾覆力矩均趨于惡性發(fā)育;當(dāng)曲線半徑大于240 m時(shí),橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨著曲線半徑增大出現(xiàn)大幅上升,其原因是傾覆軸線在曲線半徑達(dá)到一定值后變成了橋臺(tái)外側(cè)支座連線,致使曲線橋的抗傾覆穩(wěn)定能力得到明顯提升。
根據(jù)文獻(xiàn)[7]可知,合理的支座布置能夠有效提升橋梁的穩(wěn)定性能。為了探討不同支座布置對(duì)橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的影響,本文在曲線半徑120 m的原橋基礎(chǔ)上,通過僅改變橋臺(tái)雙支座間距和中墩單支座間距,擬定了5種不同支座布置方案如表1所示,針對(duì)不同支座布置情形下的曲線橋進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定分析。
表1 支座布置方案 m
通過對(duì)車載偏載作用下各支座布置的獨(dú)柱墩曲線橋梁進(jìn)行數(shù)值分析,獲得最大傾覆效應(yīng)時(shí)各支座反力以及抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)分別如圖6、圖7所示。
圖6 不同支座布置情形下支座反力變化情況
圖7 不同支座布置的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)
由圖6中支座布置方案一~方案三的反力數(shù)據(jù)可知,在車輛偏載作用下,隨著橋臺(tái)支座間距的增大,橋臺(tái)雙支座之間的反力差值逐漸減小,說明增大橋臺(tái)支座間距能夠有效降低橋臺(tái)內(nèi)側(cè)支座發(fā)生脫空損壞,有利于提升橋梁的穩(wěn)定性能。而對(duì)比方案一、方案四和方案五可知,在車輛偏載作用下橋臺(tái)雙支座之間的反力差隨著中墩偏心距的增大逐漸減小,但由于方案五中橋臺(tái)內(nèi)側(cè)支座反力大于外側(cè)支座,對(duì)橋梁抗傾覆穩(wěn)定較為不利,因此合理布置好中墩單支座的偏心距能夠有效提升橋臺(tái)雙支座穩(wěn)定性。根據(jù)圖7可知,曲線橋的抗傾覆穩(wěn)定性能基本不會(huì)受到橋臺(tái)雙支座間距變化的影響,這是由于傾覆軸線為中墩支座連線時(shí),改變橋臺(tái)支座間距不會(huì)引起曲線橋的穩(wěn)定力矩和傾覆力矩產(chǎn)生變化,故橋梁抗傾覆穩(wěn)定性保持平穩(wěn);而增大中墩支座偏心距可有效地增強(qiáng)曲線橋的抗傾覆性,其原因?yàn)橹卸罩ёO(shè)置偏心距能夠使曲線橋的穩(wěn)定力矩和傾覆力矩呈良性發(fā)展,故有利于提升抗傾覆穩(wěn)定性能。
以原曲線橋計(jì)算模型為基礎(chǔ),保持曲線橋總長(zhǎng)、跨數(shù)、半徑等參數(shù)不變,通過僅改變橋梁邊跨與中跨兩者之間的長(zhǎng)度,擬定了邊中跨比為1、3/4、1/2三組數(shù)值模型,其對(duì)應(yīng)跨徑組合分別為(20+20+20)m、(18+24+18)m和(15+30+15)m。 通過對(duì)車載偏載作用下不同邊中跨比的獨(dú)柱墩曲線橋梁進(jìn)行數(shù)值分析,得到最大傾覆效應(yīng)時(shí)各支座反力以及抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)分別如圖8、圖9所示。
圖8 不同邊中跨長(zhǎng)度比情形下支座反力變化情況
圖9 不同邊中跨長(zhǎng)度比的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)
根據(jù)圖8可知,曲線橋中墩支座反力隨著邊中跨比的減小逐漸增大,而橋臺(tái)支座反力差值隨之逐漸減小,其中邊中跨比為3/4時(shí),邊墩雙支座反力差較小,橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布較為合理,而邊中跨比為1/2時(shí),橋臺(tái)支座出現(xiàn)脫空現(xiàn)象,這是由于邊中跨比布置不合理導(dǎo)致。根據(jù)圖9可知,曲線橋的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨著邊中跨比的減小逐漸減小,而以上分析結(jié)果表明橋梁跨徑采用邊中跨比為3/4最為合理,故曲線橋在邊中跨比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布與抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行綜合考慮。
a)當(dāng)曲線半徑越大,橋臺(tái)內(nèi)外側(cè)的支座反力分布越均勻,但橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性越差;當(dāng)曲線半徑增加至傾覆軸線變?yōu)闃蚺_(tái)支座連線時(shí),曲線橋的抗傾覆性能夠得到大幅提升。
b)曲線橋的抗傾覆性能基本不會(huì)受橋臺(tái)雙支座間距影響,而設(shè)置合理的中墩單支座偏心距能夠有效提升橋臺(tái)雙支座的穩(wěn)定性,增強(qiáng)橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性。
c)曲線橋的抗傾覆性能隨著邊中跨比的減小逐漸減小,但邊中跨比過小會(huì)導(dǎo)致橋臺(tái)支座產(chǎn)生脫空現(xiàn)象;設(shè)計(jì)合理的邊中跨比需綜合考慮曲線橋內(nèi)力分布、抗傾覆性等因素。