獨(dú)柱墩橋梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

周超

摘要：在偶然超載的情況下，獨(dú)柱墩橋梁有失穩(wěn)的隱患，必須對(duì)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行定性和定量分析。本文以實(shí)際工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算為例，希望為獨(dú)柱墩橋梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：獨(dú)柱墩;橋梁;結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

1 工程概況

某橋平面設(shè)計(jì)線位于R=450m的圓曲線上，由于需要跨老國道，為保證通車要求采用22+38+22m的預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁，下部為獨(dú)柱式橋墩。其主要材料如下：

1.1 混凝土：

箱梁砼：C50混凝土;橋墩和墩帽砼：C40混凝土;橋面鋪裝：13cm厚鋼筋砼

1.2 普通鋼筋：

采用R235鋼筋，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為195MPa;

采用HRB335鋼筋，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為280MPa;

2 計(jì)算參數(shù)

2.1 橋梁幾何參數(shù)

該計(jì)算聯(lián)為22+38+22m的現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土等高度連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)12、13號(hào)橋墩為獨(dú)柱墩，立柱的尺寸為1.6*1.3m;兩側(cè)的11、14號(hào)墩為樁柱式橋墩，基礎(chǔ)為鉆孔樁基礎(chǔ)。箱梁梁體頂板寬9.5m，高2.0m，底板寬度5.0m;翼緣處頂板高0.2m，頂?shù)装搴?.25m，腹板0.4m，端部處腹板0.6m。

2.2 荷載設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2.1 永久作用

2.2.1.1 箱梁自重

由計(jì)算程序自動(dòng)根據(jù)梁體計(jì)算。

2.2.1.2 橋面鋪裝

橋面為13cm厚的鋼筋砼，鋼筋砼的重力密度取25.0kN/m³，橋面凈寬8.5m，所以鋪裝層的單位長度質(zhì)量為：25×0.13×8.5=27.625kN/m。

2.2.1.3 防撞護(hù)欄

單側(cè)護(hù)欄折算線荷載集度26×0.28=7.28kN/m，兩側(cè)護(hù)欄總線荷載集度14.56kN/m。

2.2.1.4 橫隔板自重

橫隔板自重根據(jù)橫隔板尺寸計(jì)算，以節(jié)點(diǎn)集中力作用于橋梁上。三跨中僅38m跨中有一橫隔板，折算其自重為25×4.87=121.75kN。

2.2.1.5 基礎(chǔ)變位

支座沉降按L/3000計(jì)算，即0.013m。

2.2.1.6 收縮徐變

在計(jì)算中考慮10年的收縮徐變影響。

2.2.2 可變作用

2.2.2.1 汽車荷載

雙車道，設(shè)計(jì)速度60kN/h，設(shè)計(jì)荷載為公路II級(jí)，驗(yàn)算時(shí)按實(shí)際運(yùn)營狀況采用公路I級(jí)荷載;雙車道布載分兩種不利情況，沿外側(cè)最邊緣布置兩個(gè)車道荷載和沿內(nèi)側(cè)最邊緣布置兩個(gè)車道荷載。

2.2.2.2 汽車沖擊力

輸入相關(guān)橋梁數(shù)據(jù)，由MIDAS自動(dòng)計(jì)算橋梁的沖擊系數(shù)。

2.2.2.3 離心力

離心力系數(shù)值為。

2.2.2.4 全橋溫度荷載

取全橋升溫+20℃，全橋降溫-20℃計(jì)算。

2.2.2.5 日照溫度梯度荷載

橋面鋪裝鋼筋砼13cm，取T₁=25℃， T₂=6.7℃。

3 結(jié)構(gòu)有限元分析

計(jì)算采用MIDAS建立雙支座模型，模擬橋梁的雙支座，與實(shí)際支座設(shè)置情況較符合;根據(jù)實(shí)際情況在模型中輸入預(yù)應(yīng)力鋼束和普通鋼筋。根據(jù)建立的MIDAS雙支座模型，全橋離散成單元64個(gè)，均為主梁單元，節(jié)點(diǎn)71個(gè)。

3.1 MIDAS計(jì)算模型

MIDAS計(jì)算空間模型和獨(dú)柱墩模型示意圖如圖1：

3.2 荷載組合

3.2.1 支座反力各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)工況：

工況1：永久荷載+全橋升溫+日照溫差+汽車荷載（內(nèi)車道，含沖擊力）

工況2：永久荷載+全橋降溫+日照溫差+汽車荷載（內(nèi)車道，含沖擊力）

工況3：永久荷載+全橋升溫+日照溫差+汽車荷載（內(nèi)車道，含沖擊力）+離心力

工況4：永久荷載+全橋降溫+日照溫差+汽車荷載（內(nèi)車道，含沖擊力）+離心力

以上工況中，內(nèi)車道布載主要檢驗(yàn)外側(cè)支座，離心力為有利因素，故不參與組合;外車道布載主要檢驗(yàn)內(nèi)側(cè)支座，離心力為不利因素，故參與組合。但規(guī)范中規(guī)定當(dāng)彎道橋的曲線半徑小于等于250m時(shí)應(yīng)計(jì)算汽車荷載引起的離心力，此橋半徑大于250m，因此該橋不計(jì)離心力的影響。

3.2.2 各工況支座豎向反力結(jié)果如表1（單位：KN）

由計(jì)算結(jié)果可以看出，所有工況支座豎向反力Fz均不出現(xiàn)負(fù)值，說明所有荷載組合工況下支座都不會(huì)脫空。

3.3 獨(dú)柱橋墩抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算中需考慮的荷載組合有：

由于該橋橋墩的橫向剛度大于其縱向剛度，因此對(duì)于該橋墩的抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算時(shí)，只需考慮橋墩在順橋向的穩(wěn)定性。

對(duì)于本橋的計(jì)算在考慮橋墩在順橋向的穩(wěn)定性時(shí)，主要考慮的荷載組合主要有以下工況：

工況5：永久荷載+汽車荷載不利反力+制動(dòng)力+溫度力;

工況6：永久荷載+汽車荷載不利反力+制動(dòng)力+離心力+溫度力，當(dāng)制動(dòng)力與離心力同時(shí)計(jì)算時(shí)，制動(dòng)力取70%來計(jì)算。

橋墩的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K₀=N·X/M≥1.5（這里定義橋墩在沿橋向?yàn)閄軸，橫橋向?yàn)閥軸）;計(jì)算結(jié)果如表2。

4 結(jié)語：

通過對(duì)獨(dú)柱墩橋梁按實(shí)際運(yùn)營狀況（公路I級(jí)荷載）進(jìn)行驗(yàn)算，可知該橋梁在活載偏載作用下，獨(dú)柱墩橋梁的各個(gè)支座均不會(huì)出現(xiàn)脫空，相應(yīng)的獨(dú)柱墩抗傾覆穩(wěn)定性良好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全。但在日常的公路管理和養(yǎng)護(hù)過程中，也要加強(qiáng)對(duì)獨(dú)柱墩橋梁結(jié)構(gòu)的裂縫觀測(cè)，加強(qiáng)對(duì)超載運(yùn)輸車輛的管理，以確保橋梁在運(yùn)營過程中的安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（ JTG B01-2003）;

[2]《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（ JTG D60-2004 ）