獨(dú)柱雙支撐連續(xù)箱梁橋橫向抗傾覆穩(wěn)定性分析

孫琪凱，高 巖

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081)

獨(dú)柱式連續(xù)箱梁橋具有力線流暢、橋下通視、施工方便、占地量少等優(yōu)點(diǎn)，且因其整體性好、行車舒適度較高而被廣泛應(yīng)用于公路橋梁建設(shè)[1-3]。根據(jù)中墩支座數(shù)量不同，獨(dú)柱式連續(xù)箱梁橋可分為獨(dú)柱單支撐和獨(dú)柱雙支撐2種。我國現(xiàn)行公路橋梁規(guī)范的結(jié)構(gòu)設(shè)計重點(diǎn)主要集中在梁體抗彎、抗剪承載能力等方面[4]，對偶然偏心荷載作用下的結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆穩(wěn)定性關(guān)注不足，導(dǎo)致獨(dú)柱墩橋梁垮塌事故時有發(fā)生。

近年來，獨(dú)柱墩橫向抗傾覆穩(wěn)定性的研究逐漸受到重視，如JTG D62—2012《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范(征求意見稿)》中提出了抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的概念來描述結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定安全性[5]。但研究者的關(guān)注點(diǎn)主要集中在獨(dú)柱單支撐式橋梁，對于獨(dú)柱雙支撐式橋梁則關(guān)注不足。獨(dú)柱雙支撐式橋梁因受橋墩頂面空間限制，獨(dú)柱雙支撐中墩支座橫向間距一般較小，在車輛偏載作用下，也有較大可能發(fā)生整體橫向傾覆。但相對于獨(dú)柱單支撐，其橫向抗傾覆穩(wěn)定性得到很大改善。

為了研究獨(dú)柱雙支撐式連續(xù)箱梁橋橫向抗傾覆穩(wěn)定性能及相對于獨(dú)柱單支撐的改善情況，本文以兩聯(lián)(3×20)m分別采用獨(dú)柱單、雙支撐的鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋作為基本結(jié)構(gòu)。建立不同曲線半徑、不同邊墩支座間距的有限元模型，研究邊墩支座最小反力變化規(guī)律。通過邊墩支座反力的大小，反應(yīng)橋梁的橫向抗傾覆能力。

1 結(jié)構(gòu)概況

1.1 基本結(jié)構(gòu)

選擇橋跨布置為(3×20)m鋼筋混凝土連續(xù)箱梁作為基本研究對象[6-7]。箱梁截面為單箱單室，頂板寬8.0 m，行車道寬7.0 m，底板寬4.0 m，懸臂長2.0 m，梁體全長等高為1.4 m，箱梁標(biāo)準(zhǔn)截面見圖1。

圖1 箱梁標(biāo)準(zhǔn)截面(單位：cm)

獨(dú)柱單支撐式橋梁2個邊墩均采用2個盆式橡膠支座，對稱箱梁中心線布置；中墩采用1個盆式橡膠支座。獨(dú)柱雙支撐式橋梁邊墩、中墩均采用2個盆式橡膠支座，中墩支座間距為1.5 m，支座均對稱箱梁中心線布置。

1.2 計算模型及參數(shù)

采用橋梁結(jié)構(gòu)專業(yè)分析軟件MIDAS/Civil 2015建立空間桿系有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，模型共劃分80個單元[8-9]。驗算模型見圖2。

圖2 連續(xù)箱梁驗算模型

計算模型中，箱梁梁體采用C40混凝土。其恒載包括自重和二期恒載?；炷磷灾匕?6 kN/m3計；二期恒載包括10 cm厚橋面混凝土鋪裝層和防撞墻，其中橋面鋪裝按18.2 kN/m計，單側(cè)防撞墻按6.7 kN/m計?；詈奢d采用公路-Ⅰ級進(jìn)行偏載加載。

計算時考慮混凝土收縮徐變、溫度荷載及基礎(chǔ)沉降等作用，并按如下參數(shù)取值：

1)混凝土收縮應(yīng)變和徐變系數(shù)均按規(guī)范JTG D60—2015由程序自動計算。

2)常年溫差按±20 ℃考慮。橋面采用水泥混凝土鋪裝，箱梁升溫溫差T1=25 ℃,T2=6.7 ℃，降溫效應(yīng)為升溫效應(yīng)的0.5倍。

3)計算時按沉降5 mm取值。

1.3 分析內(nèi)容

本文以1.1及1.2節(jié)中結(jié)構(gòu)類型為基礎(chǔ)，從以下2個方面分析獨(dú)柱雙支座連續(xù)箱梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性。

1)不同曲線半徑對橋梁的橫向抗傾覆性能的影響。計算曲線半徑為R=50，100，200，300，400，500，750，1 000，3 000 m和直線橋10種工況，活載偏載作用下邊墩支座反力[10]。

2)不同邊墩支座間距對橋梁的橫向抗傾覆性能的影響。計算邊墩支座間距為D=2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0，5.5，6.0 m 9種工況，活載偏載作用下邊墩支座反力[11]。

2 分析結(jié)果

2.1 曲線半徑

按照結(jié)構(gòu)概況中的結(jié)構(gòu)尺寸和建模方法，邊墩支座間距為3.0 m時，計算曲線半徑10種工況下，獨(dú)柱單支撐和獨(dú)柱雙支撐邊墩支座最小反力，并繪制曲線半徑-支座反力折線圖，如圖3所示。

圖3 曲線半徑-支座反力關(guān)系

由圖3中數(shù)據(jù)分析可得：

1)對于獨(dú)柱單支撐和獨(dú)柱雙支撐曲線梁橋，活載偏載作用下，邊墩曲線內(nèi)側(cè)支座最小反力均隨曲線半徑增大而增大，且在曲線半徑較小時，變化率較大；曲線半徑超過某個值后，變化率變小，邊墩內(nèi)側(cè)支座反力維持基本穩(wěn)定。

2)對于獨(dú)柱單支撐和獨(dú)柱雙支撐曲線梁橋，活載偏載作用下，邊墩曲線外側(cè)支座最小反力隨曲線半徑變化率較小，基本保持穩(wěn)定。

3)獨(dú)柱雙支撐式橋梁內(nèi)側(cè)支座反力大于獨(dú)柱單支撐，且曲線半徑越小，兩者差值越大。

根據(jù)以上計算分析結(jié)果可知，獨(dú)柱雙支撐式橋梁能夠較大程度地降低邊墩內(nèi)側(cè)支座脫空的風(fēng)險，增強(qiáng)梁體的抗傾覆穩(wěn)定性，且橋梁曲線半徑越小，效果越明顯。

2.2 邊墩支座間距

梁體曲線半徑分別取R=50，500 m，直線橋時，計算邊墩支座間距9種工況下獨(dú)柱單支撐和獨(dú)柱雙支撐邊墩支座反力，并繪制支座間距-支座反力折線圖，曲線梁的折線圖見圖4。

圖4 邊墩支座間距-支座反力關(guān)系

由圖4中數(shù)據(jù)分析可得：

1)對于獨(dú)柱單支撐和獨(dú)柱雙支撐曲線梁橋，活載偏載作用下，邊墩曲線內(nèi)側(cè)支座最小反力隨邊墩支座間距增大而增大；但變化率隨邊墩支座間距增大而減小；端支座間距超過某個值后，邊墩內(nèi)側(cè)支座反力基本保持穩(wěn)定，橋梁曲線半徑越大，該值越小。

2)對于獨(dú)柱單支撐和獨(dú)柱雙支撐曲線梁橋，活載偏載作用下，邊墩曲線外側(cè)支座最小反力隨邊墩支座間距變化率較小，基本保持穩(wěn)定。

3)獨(dú)柱單支撐和獨(dú)柱雙支撐曲線梁橋邊墩曲線外側(cè)支座反力基本相等。說明雙支撐對邊墩外側(cè)支座影響較小。

4)獨(dú)柱雙支撐式橋梁內(nèi)側(cè)支座反力大于獨(dú)柱單支撐，且邊墩支座間距越小，兩者差值越大。

根據(jù)以上計算分析結(jié)果可知，對于任意邊墩支座間距橋梁，獨(dú)柱雙支撐均能夠較大程度地增強(qiáng)梁體橫向抗傾覆穩(wěn)定性，且支座間距較小時，效果更明顯。

3 結(jié)論

根據(jù)兩聯(lián)(3×20)m獨(dú)柱單、雙支撐的鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橫向抗傾覆性能對比分析結(jié)果可得結(jié)論如下：

1)獨(dú)柱雙支撐式橋梁能夠較大程度的降低邊墩內(nèi)側(cè)支座脫空的風(fēng)險，增強(qiáng)梁體的抗傾覆穩(wěn)定性，橋梁曲線半徑較小且邊墩支座間距較小時效果明顯。

2)獨(dú)柱雙支撐橋梁邊墩內(nèi)側(cè)支座反力隨曲線半徑增大而增大；但曲線半徑超過某個值后，支座反力基本保持穩(wěn)定。曲線半徑越小，曲線半徑的變化對內(nèi)側(cè)支座反力影響越大。

3)獨(dú)柱雙支撐橋梁邊墩內(nèi)側(cè)支座反力隨邊墩支座間距增大而增大；但邊墩支座間距超過某個值后，支座反力基本保持穩(wěn)定。

4)設(shè)計曲線半徑較小的橋梁，可通過改獨(dú)柱單支撐為雙支撐，以有效提高結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆穩(wěn)定性。

5)適當(dāng)增大邊墩支座間距，即可較大程度地提高橋梁橫向抗傾覆能力。