橋墩剛度對曲線橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的影響分析

鞏美杰

南京市城市與交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司

1 引言

曲線連續(xù)箱梁在城市快速路中，尤其是互通式立交匝道橋中被廣泛應(yīng)用，其下部結(jié)構(gòu)多采用花瓶式獨柱墩。自2007年以來，國內(nèi)相繼發(fā)生了多起匝道橋整體傾覆事故，造成了巨大的生命及財產(chǎn)損失，引起了社會各界的廣泛關(guān)注。國內(nèi)學(xué)者針對獨柱墩橋梁及類似結(jié)構(gòu)的側(cè)傾問題做了一些研究，研究方法和計算假定得到了逐步發(fā)展。初期以“剛體假定”為基礎(chǔ)，認為橋梁傾覆破壞時，上部結(jié)構(gòu)繞某一“傾覆軸”做剛體轉(zhuǎn)動。這種方法忽略了箱梁本身作為彈性體的特征，在某種條件下會高估橋梁的抗傾覆能力。文獻[2]通過對事故橋梁進行分析，建立了考慮幾何及接觸非線性的有限元模型，對橋梁傾覆破壞的機理進行了研究，JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》對前述研究做了總結(jié)和深化。提出了以“安全系數(shù)”表達的抗傾覆驗算方法。以恒載產(chǎn)生的“穩(wěn)定效應(yīng)”與活載產(chǎn)生的“失穩(wěn)效應(yīng)”的比值來衡量箱梁的抗傾覆能力。當為直線橋時，其原理與“剛體假定”理論相同，即“傾覆軸”為偏載側(cè)支點的連線；當為曲線橋時，其“傾覆軸”可以理解為偏載側(cè)支點所構(gòu)成的曲線。在連續(xù)梁設(shè)計時很少考慮下部結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)的影響，支座常以剛性支點模擬。這種做法在直線橋設(shè)計時是可行的，當橋梁為曲線橋時，由于彎扭耦合現(xiàn)象梁體內(nèi)將產(chǎn)生巨大的扭矩，在橫向支座間距較小時，將使曲線內(nèi)、外側(cè)支座產(chǎn)生反力差。這時若忽略橋梁上、下部的協(xié)調(diào)變形，計算結(jié)果將產(chǎn)生偏差，極端情況下可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的不安全。本文以某互通匝道橋為依托，應(yīng)用規(guī)范提供的抗傾覆驗算方法，討論下部結(jié)構(gòu)對橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的影響。

2 算例分析

某3m×26.5m 預(yù)應(yīng)力匝道橋，寬10.1m，采用單箱雙室箱梁，花瓶墩高12m，支座間距2.8m，橋梁位于110m 圓曲線上。本文對是否考慮橋墩的影響分別計算并進行對比分析，計算采用midas civil程序，主梁單元采用7自由度空間梁單元，預(yù)應(yīng)力線形和位置按實際輸入，支座與主梁單元間設(shè)置剛臂。下圖為是否考慮下部結(jié)構(gòu)時各工況支反力計算結(jié)果。

分析發(fā)現(xiàn)：（1）下部結(jié)構(gòu)對成橋支反力有一定影響，其影響程度與橋墩的剛度有關(guān)，剛度越小影響越大。與未考慮下部結(jié)構(gòu)相比，邊支點曲線外側(cè)支反力增大，內(nèi)側(cè)減??；中墩曲線外側(cè)支反力減小，內(nèi)側(cè)增大。（2）當邊支座作為失效支點時，活載支反力差別較大。以1-2支點為例，當不考慮橋墩剛度時，活載在失效墩處產(chǎn)生的支反力較大，遠端支點支反力迅速衰減。當考慮橋墩剛度時，遠端支點仍能產(chǎn)生不平衡反力。（3）當中墩支座作為失效支點時，活載產(chǎn)生的支反力差別不大。（4）兩種模型在以邊支點為失效支點計算箱梁傾覆系數(shù)時產(chǎn)生較大差別，如表1所示。

表1 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)比較

恒載支反力

1-2支座失效時活載支反力

2-2支座失效時活載支反力

3-2支座失效時活載支反力

4-2支座失效時活載支反力

支座編號示意圖

通過對活載進行追蹤，發(fā)現(xiàn)當以邊墩支點作為失效支點時，兩種模型的反力影響線存在差異，原因在于當不考慮橋墩影響時，支座為剛性支點，限制了梁體的扭轉(zhuǎn)變形，活載的最不利布置范圍產(chǎn)生了較大的偏差。當計入橋墩剛度影響時，橋梁上、下部結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形，最不利狀態(tài)也更符合實際情況。以此推斷，當連續(xù)梁分跨越多時，若不考慮下部結(jié)構(gòu)影響，最不利活載布載是失真的，其抗傾覆安全性可能被高估。

3 結(jié)論與問題

本文通過計算，對比分析了曲線梁橋在是否考慮下部結(jié)構(gòu)影響時，成橋反力及活載反力的差別，并按規(guī)范提供的方法得到了箱梁抗傾覆安全系數(shù)。

（1）證明曲線橋梁在進行抗傾覆安全性驗算時，應(yīng)按實際情況考慮橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響，使上、下部結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)。否則在特殊情況下可能高估箱梁的抗傾覆能力。

（2）因篇幅限制本文僅對三跨連續(xù)梁進行了分析，當連續(xù)梁跨數(shù)增加后下部結(jié)構(gòu)對抗傾覆驗算的影響將會增大為作者推測，待后續(xù)研究論證。

（3）連續(xù)梁傾覆驗算實質(zhì)是尋找“失穩(wěn)效應(yīng)”極值的過程，規(guī)范將其進行了簡化，即認為“失穩(wěn)效應(yīng)”的極值為同側(cè)各支點達到最小反力時的包絡(luò)值。這種簡化在跨數(shù)較少時是安全的，但當分跨較多時是否存在“漏載”問題，有待后續(xù)研究。