連續(xù)梁橋的抗傾覆穩(wěn)定性設(shè)計研究

耿君君

摘要：文章從某連續(xù)梁橋的獨柱墩引橋出發(fā)，以建立有限元模型的方式對該連續(xù)梁橋的抗傾覆穩(wěn)定性進行分析，研究了荷載與連續(xù)梁抗傾覆的關(guān)系，以及偏心距對連續(xù)梁橋抗傾覆穩(wěn)定性的影響。

關(guān)鍵詞：連續(xù)梁橋;抗傾覆穩(wěn)定性;偏心距

0 引言

因具有良好的受力性能，連續(xù)梁被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)交通建設(shè)中?，F(xiàn)有橋梁設(shè)計中主要考慮橋梁的強度，而對其抗傾覆穩(wěn)定性的規(guī)定較少。但在汽車超載情況下容易因抗傾覆穩(wěn)定性不足而導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。因此，本文將針對連續(xù)梁橋抗傾覆破壞進行研究。

1 工程概況

本文以某連續(xù)梁橋的引橋段為背景，采用有限元分析軟件MIDAS/Civil對其進行建模處理。該連續(xù)梁橋的引橋是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，基于計算精度，該引橋的有限元模型所劃分的單元數(shù)有96個，節(jié)點數(shù)有106個，并且細化了梁段箱室變截面的形狀。在模擬時因無法考慮到橋梁截面較小的縱向坡度，因此以應(yīng)用彈性的方式模擬支座的連接，以剛性連接的方式對支座頂部以及梁體的連接進行模擬，為更好地反映橋梁的受力，以一般支承的方式進行支座底與主墩頂?shù)哪M。具體如圖1所示。

2 連續(xù)梁橋抗傾覆穩(wěn)定性分析

2.1 抗傾覆軸線

汽車超載以及偏載等原因會引起連續(xù)梁橋發(fā)生傾覆事故。橋梁單向支座被動地消除了負反作用力，導(dǎo)致邊界條件被破壞而發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象[1-2]。在計算反傾覆驗算時，傾覆軸是首先要確定的條件。對于連續(xù)梁直線段的傾覆軸一般認為是橋梁中線最外層的支座線，對于連續(xù)梁曲線段一般假設(shè)其支座在受壓時有正支反力存在，沒有多余支座出現(xiàn)在傾覆軸處。以曲線段的特點可知，其傾覆軸加多，具體如圖2所示。

2.2 傾覆穩(wěn)定性荷載模式

本文在橋梁當前運營模式的基礎(chǔ)上，綜合現(xiàn)有規(guī)范要求，在對該橋的傾覆穩(wěn)定性計算時分別選取了四種荷載模式，具體為：

工況一：公路-Ⅰ級汽車荷載模式，以模擬標準設(shè)計荷載;

工況二：1.3倍公路-Ⅰ級荷載，以模擬一般汽車超載的情況;

工況三：10 m間距55 t密排重車，以模擬現(xiàn)場實際的重車車隊;

工況四：3倍公路-Ⅰ級荷載，以模擬現(xiàn)場嚴重超載時的情況。

2.3 各荷載模式下支座反力情況

連續(xù)梁橋的曲線段具有較為復(fù)雜的受力體系，不管是在何種荷載作用下，其都會有“彎矩-耦合”作用出現(xiàn)[3]。此外，受力較為復(fù)雜的還有連續(xù)梁橋曲線段里的獨柱墩，因是單支座形式的中墩支承方式，相比于雙支座而言其平衡性能較差。當較大的反力差出現(xiàn)在橋臺內(nèi)外的支座位置時，容易使其出現(xiàn)負反力以及脫空現(xiàn)象，此時橋梁容易因不平衡的活載以及偏載而出現(xiàn)傾覆破壞。本文將在上述四種工況的基礎(chǔ)上，以支座反力法進行分析，鑒于篇幅所限，本文將給出部分試驗結(jié)果（見表1）。

從實驗結(jié)果可知，隨著荷載不斷地增大，橋梁的外側(cè)支座反力不斷上升，而橋梁的內(nèi)側(cè)反力則不斷降低。當成倍地增加外荷載時，隨之增加的有支座反力，但其內(nèi)側(cè)支座反力因偏載而不斷降低。分析結(jié)果的力學(xué)特征可知，具有更大反力的是橋梁的外側(cè)以及中墩支座。對橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性以支座反力法進行分析可知，橋梁的內(nèi)側(cè)支座在四種荷載模式下均不產(chǎn)生負反力以及脫空。因此可推出，該橋不會有傾覆破壞發(fā)生。

2.4 抗傾覆穩(wěn)定性

對于連續(xù)梁橋的抗傾覆穩(wěn)定性而言，無法通過支座反力法進行反映[4]，因此，對于該橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性本文將以傾覆距比法進行研究。

從實驗結(jié)果可知（見圖3），不斷加大的荷載作用使橋梁內(nèi)部支座出現(xiàn)減縮，但無支座脫空情況出現(xiàn)。在超載以及偏載作用下降低了橋梁的抗傾覆能力，相比支座反力法，對其抗傾覆性能以抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)進行分析可知其更加能夠反映出橋梁的橫向穩(wěn)定性問題。

因荷載而導(dǎo)致的不平衡力矩是橋梁出現(xiàn)傾覆失穩(wěn)的根本原因。橋梁的橫向穩(wěn)定性由穩(wěn)定力矩比上傾覆力矩的數(shù)值所決定[5-6]。為使得橋梁具有足夠的橫向穩(wěn)定性，應(yīng)使其比值>2.5。具有最大的傾覆穩(wěn)定性系數(shù)的是公路一級荷載的工況，其值為6.1，比2.5的規(guī)范值大。鑒于橋梁支座均處于工作狀態(tài)，可知在正常荷載作用時橋梁具有較高的抗傾覆穩(wěn)定性。

基于橋梁設(shè)計時優(yōu)先考慮強度破壞的原則，結(jié)合當前橋梁運營時的超載情況，在對橋梁的工況四進行模擬時發(fā)現(xiàn)，其僅具有2.1的抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)，小于2.5的規(guī)范值，可知該橋梁在超載出現(xiàn)時雖然不會出現(xiàn)強度破壞，但其不具備足夠的橫向抗傾覆穩(wěn)定性，因此其不具備足夠的安全可靠度。工況二作用時相當于該橋梁具有30%的超載，其值約為0.5倍的工況三，但鑒于工況三下該橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性尚且滿足要求，而且目前并不具備統(tǒng)一的荷載驗算標準，容易出現(xiàn)過于保守的橋梁設(shè)計而無法發(fā)揮經(jīng)濟性要求。因此，綜合上述分析，本文建議對于橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性荷載的驗算應(yīng)結(jié)合橋梁實際交通情況，以可靠度理論的方法進行分析確定。

2.5 支座預(yù)偏心對抗傾覆穩(wěn)定性的影響

連續(xù)梁橋的曲線段支座因受到“彎扭-耦合”的作用而使其具有較為復(fù)雜的受力，特別是曲線段中的獨柱墩支承體系，該處的支座受到壓力以及扭矩的雙方面作用。因此，為使橋梁結(jié)構(gòu)傳遞受力的情況有所改善，應(yīng)合理布置支座，以使其在抗傾覆穩(wěn)定性中起到較為重要的作用。橋梁的傾覆軸也受到布置支座位置的影響，因此需要對其穩(wěn)定荷載以及傾覆荷載的作用范圍進行重新規(guī)劃。對于支座預(yù)偏心所導(dǎo)致的橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的變化，本文將采取參數(shù)控制法進行分析。將研究體系選定為曲線段橋梁的獨柱墩，在僅對支座預(yù)偏心的效果進行改變的情況下，建立有限元分析程序，以對連續(xù)梁抗傾覆穩(wěn)定性與預(yù)偏心之間的關(guān)系進行研究分析，所得結(jié)果如圖4所示。

從實驗結(jié)果可知，當橋梁的偏心距不同時，橋梁支座均無空隙現(xiàn)象出現(xiàn)，滿足相關(guān)規(guī)范要求。在改變偏心距時，橋梁的3#～5#支座的支反力僅受到較小的影響，反之支反力變化較大的是內(nèi)側(cè)支座。隨著偏心距不斷增加，橋梁內(nèi)側(cè)支座的反作用力也不斷上升，對于6#支座而言，其側(cè)向與橫向的支撐反作用力成正比關(guān)系。因此，該曲線橋支座的受力能夠通過偏心距進行調(diào)整。

橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性隨著不斷增大的偏心距而不斷增加，促進了橋梁的抗傾覆性能。綜上分析可知，在連續(xù)梁曲線段的獨柱墩處設(shè)置的偏心距較為適當時，能夠使其內(nèi)外側(cè)的支座受力情況得到改善，并對其抗傾覆穩(wěn)定性能有提高作用。

3 結(jié)語

本文以某連續(xù)梁橋的引橋作為研究背景，對該處的獨柱墩梁橋進行分析，所得結(jié)果如下：橋梁的支座在不斷增加的荷載作用下雖然沒有脫空現(xiàn)象出現(xiàn)，能夠滿足規(guī)范的基本要求，但其內(nèi)側(cè)支座反力有逐漸脫空的趨勢;橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性能在工況四的荷載情況下無法滿足要求，因此本文建議對于橋梁抗傾覆荷載的驗算可結(jié)合橋梁實際運營情況進行確定，但其荷載的驗算不同于承載力荷載，應(yīng)優(yōu)先考慮其傾覆破壞;橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性可通過適當設(shè)置的偏心距進行抵抗，在30 cm的偏心距下，橋梁內(nèi)外側(cè)的支座相對平緩。

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