橋梁整體抗滑傾覆穩(wěn)定性失效分析

劉林飛

摘? 要：近年來(lái)，我國(guó)因整體失穩(wěn)而發(fā)生的多起類(lèi)似梁橋破壞事故相繼發(fā)生，其失穩(wěn)的關(guān)鍵因素是傾覆。然而，梁橋滑動(dòng)此類(lèi)不尋常的整體失穩(wěn)破壞模式，卻很少被提及，本文主要就梁橋整體抗滑傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行分析。因此，本文首先對(duì)梁橋上通過(guò)的偏心重型車(chē)輛的響應(yīng)進(jìn)行了評(píng)估。其次，本文分析了滑坡和傾覆的整體失穩(wěn)過(guò)程。為了實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)，筆者采用模型和方法分析梁橋的動(dòng)力響應(yīng)。分析結(jié)果表明，破壞開(kāi)始于隆升，結(jié)束于滑動(dòng)，而不是剛體翻轉(zhuǎn)。根據(jù)數(shù)值分析的結(jié)果，討論了軸承的規(guī)格限制和摩擦系數(shù)。

關(guān)鍵詞：梁橋，抗滑，穩(wěn)定性，失效

1.前言及背景分析

例舉我國(guó)有因整體失穩(wěn)而導(dǎo)致梁橋事故發(fā)生的事故4起。2011年，浙江春暉大橋因4輛總重389.3噸的貨車(chē)垮塌。第二年，當(dāng)四輛超載的卡車(chē)在右側(cè)甲板上行駛時(shí)，哈爾濱的一鋼-混凝土組合梁從橋墩上滑落到地面上。2015年，廣東省再次發(fā)生了與浙江省相同的坍塌事故。2016年，上海中環(huán)線(xiàn)簡(jiǎn)支梁發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和滑移，幸運(yùn)的是沒(méi)有發(fā)生其他的意外坍塌事故。

對(duì)上述四起事故的調(diào)查最終都得出結(jié)論：車(chē)輛超載;這些事故中的橋梁有五個(gè)共同特征：

（1）整體箱梁橋;（2）大半徑的直梁或水平彎梁;（3）在同一甲板側(cè)行駛或者停留的重型車(chē)輛;

（4）多跨倒塌橋梁多為單柱墩單支座、梁端雙支座間距離較短的多跨倒塌橋梁;（5）整體失穩(wěn)的相似破壞模式有滑動(dòng)和傾覆。

梁橋在車(chē)輛荷載偏心作用下，特別是滑移和傾覆作用下的整體穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮的問(wèn)題。例如，EN 1990給出的整體穩(wěn)定性受到結(jié)構(gòu)受靜載影響的極限狀態(tài)，并應(yīng)驗(yàn)證為結(jié)構(gòu)靜力平衡的損失。類(lèi)似地，我國(guó)的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也要求一些相關(guān)的規(guī)定。SIA 260標(biāo)準(zhǔn)明確了結(jié)構(gòu)在四種極限狀態(tài)下的整體抗滑、抗傾覆、抗隆起穩(wěn)定性。我國(guó)公路橋規(guī)范中引入了大于2.5的穩(wěn)定性系數(shù)的傾覆案例。施工規(guī)范中強(qiáng)調(diào)，當(dāng)豎向荷載小于豎向承載力的20%時(shí)，不應(yīng)采用多回轉(zhuǎn)軸承。同樣，我國(guó)鐵路橋梁規(guī)范要求軸承的最小壓應(yīng)力應(yīng)大于2mpa。

部分學(xué)者使用ANSYS對(duì)一座倒塌的箱梁橋進(jìn)行了有限元模型研究偏心重型車(chē)輛下的破壞機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)坍塌是由傾覆的不穩(wěn)定性和材料的強(qiáng)度失效引起的，數(shù)值分析結(jié)果中水平力與崩塌方向明顯相反。為預(yù)測(cè)單柱墩橋的傾覆荷載，有些學(xué)者提出了一種簡(jiǎn)單的分析方法，核心思想仍然是基于剛體原理，且考慮了軸承摩擦的影響。部分學(xué)者認(rèn)為傾覆軸是橋梁兩個(gè)支座之間的一條直線(xiàn)。卻很少有人關(guān)注車(chē)輛在破壞過(guò)程中的滑動(dòng)問(wèn)題。因此，本文不僅研究其結(jié)構(gòu)，還分析了偏心重型車(chē)輛通過(guò)梁橋時(shí)整體滑移和傾覆失穩(wěn)過(guò)程。還討論軸承規(guī)格限制和摩擦系數(shù)選擇。

2.橋梁數(shù)值模型

為了研究結(jié)構(gòu)失效的原因，特別是對(duì)偏心重型車(chē)輛過(guò)橋時(shí)鋼筋混凝土梁橋倒塌前的行為進(jìn)行了研究，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，建立了三維非線(xiàn)性有限元分析模型。在本研究中，我們采用了一種循序漸進(jìn)的方法，并在發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析方法的理論基礎(chǔ)上，在其中發(fā)現(xiàn)了梁在移動(dòng)荷載作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

在研究分析中，我們對(duì)春暉大橋做了詳細(xì)三維非線(xiàn)性有限元模型。該模型采用梁?jiǎn)卧獙?duì)梁、墩、樁、承臺(tái)進(jìn)行模擬，并總結(jié)了其性能。采用鉆孔取心法測(cè)定主梁和墩柱的混凝土抗壓強(qiáng)度，并根據(jù)測(cè)得的強(qiáng)度計(jì)算其模量，其余均來(lái)源于設(shè)計(jì)文件和規(guī)范。同時(shí)，梁與軸承之間采用剛性連接單元。

春暉E匝道橋上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)之間的連接采用彈性層壓軸承、側(cè)擋塊和銷(xiāo)釘進(jìn)行。一般而言，不受任何張力的彈性層壓軸承為上部結(jié)構(gòu)提供了垂直和扭轉(zhuǎn)約束，以及水平力作用下的剛度，如風(fēng)荷載或地震力。類(lèi)似地，側(cè)擋和銷(xiāo)釘?shù)脑O(shè)計(jì)是為了抵抗地震力的水平力，并限制水平位移。

3.非線(xiàn)性彈簧單元模型

采用非線(xiàn)性彈簧單元模型對(duì)彈性層壓軸承、側(cè)擋圈和銷(xiāo)釘進(jìn)行了建模。并分別計(jì)算彈性層壓軸承的豎向剛度（KV）和水平剛度（KH）。同時(shí)，在庫(kù)侖摩擦模型的基礎(chǔ)上，考慮了軸承在水平方向上的滑動(dòng)行為。

采用多線(xiàn)性外剪鍵力-位移關(guān)系模型簡(jiǎn)化了側(cè)向擋塊的性能。雖然該模型是基于支撐-拉桿機(jī)構(gòu)建立的橋臺(tái)外剪鍵模型，但在理論上也適用于橋臺(tái)內(nèi)剪鍵。此外，抗側(cè)力（HV=HVc+HVs）由兩部分組成：混凝土和鋼筋。模型的各級(jí)位移取決于側(cè)擋塊的大小、配筋發(fā)展的長(zhǎng)度、開(kāi)裂區(qū)域的長(zhǎng)度和鋼應(yīng)變。

4. 數(shù)值分析

在本研究分析中，車(chē)輛速度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響不是主要關(guān)注的問(wèn)題。因此，我們?cè)诜治鲋袑④?chē)速設(shè)為1m/s，利用車(chē)輛從橋臺(tái)（A0）開(kāi)始的行駛距離（vt）來(lái)確定車(chē)輛在橋面上的位置。

4.1梁的傾覆

由于扭轉(zhuǎn)角或梁的表觀扭轉(zhuǎn)形狀是反映傾覆響應(yīng)的關(guān)鍵位移參數(shù)，通過(guò)有限元分析得到春暉E匝道大橋的扭轉(zhuǎn)角，當(dāng)行駛距離為0m～20m時(shí)，扭轉(zhuǎn)角很小，P1處最大值僅為0.001 rad。與此同時(shí)，所有軸承都處于明顯的壓縮狀態(tài)。在第1階段，左側(cè)支座的反作用力減小到0.6 kN;右支座反力增加到1692.6 kN;P1墩反力增加到3835.2 kN，其他方面基本不變;增量和約為貨車(chē)總重T1。

當(dāng)掘進(jìn)距離為20m～32m（二期）時(shí)，橋臺(tái)左軸承失效，梁扭轉(zhuǎn)角緩慢增大，在A0和P1處的最大值為0.009 rad。在第二階段，左支座的反作用力減小到0 kN，而其他支座的反作用力繼續(xù)保持與第一階段相同的趨勢(shì)。當(dāng)行駛距離為32m～90m（三期）時(shí)，A0、P6左軸承停止工作，梁的扭轉(zhuǎn)角達(dá)到峰值（約0.28 rad）。P1、P2、P4和P5的反作用力變化明顯。在第三階段，扭轉(zhuǎn)角的正切值超過(guò)了摩擦系數(shù);當(dāng)行駛距離為82米時(shí)，P1和P5的軸承停止工作。然而，梁在扭轉(zhuǎn)方向（Rx）仍然保持穩(wěn)定。從技術(shù)上講，不會(huì)發(fā)生傾覆，扭轉(zhuǎn)角也不會(huì)超過(guò)90度。

4.2梁的滑動(dòng)

由相關(guān)計(jì)算公式可計(jì)算出橫向滑移阻力（Hi），并可以看出，A0和P6處的橫向滑移電阻在第三相繼續(xù)增大。這是由于純PTFE潤(rùn)滑的彈性層壓軸承的扭轉(zhuǎn)角的切向值大于摩擦系數(shù)。而其它支座的橫向滑移阻力較小，甚至為零。

因此，梁在支座處有橫向位移。梁在第一和第二階段沒(méi)有滑移。在第三階段，當(dāng)掘進(jìn)距離為32m～50m時(shí)，梁與右支擋在橋臺(tái)處間隙減小到0cm。梁在A0、P1、P2處的橫向受側(cè)塞約束。在滑移失穩(wěn)前，P1處的橫向滑移位移小于15mm。梁在P4、P5、P6處的橫向位移繼續(xù)增大。最后，當(dāng)車(chē)輛行駛到88 m時(shí)，P6處梁的橫向位移大于150mm，此時(shí)梁由于滑移而失穩(wěn)。

5. 結(jié)論

春暉E匝道大橋垮塌現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查后，采用非線(xiàn)性有限元方法對(duì)車(chē)輛過(guò)橋的全過(guò)程進(jìn)行了模擬分析。用數(shù)值模型重新計(jì)算了力和位移的響應(yīng)曲線(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和數(shù)值分析，最后提出下列結(jié)論：

（1）動(dòng)力響應(yīng)非線(xiàn)性分析的一般方法—逐步分析法是評(píng)價(jià)梁橋整體穩(wěn)定性的有效方法。特別是通過(guò)數(shù)值分析得到了整個(gè)過(guò)程的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

（2）考慮梁的變形和非線(xiàn)性邊界條件的橫向防滑平衡方程;可用于梁的滑動(dòng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

（3）春暉e -匝道大橋的分析結(jié)果表明，橋梁的破壞開(kāi)始于支座和支座的抬升以滑動(dòng)結(jié)束，而不是剛體的翻轉(zhuǎn)。

（4）春暉e -匝道大橋側(cè)移運(yùn)動(dòng)過(guò)大，側(cè)移限位裝置失效，導(dǎo)致橋梁失穩(wěn)垮塌。在橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，側(cè)向限位裝置應(yīng)具有足夠的延性和強(qiáng)度。

（5）傾覆安全系數(shù)的傳統(tǒng)評(píng)估方法沒(méi)有考慮梁的變形和滑移，由于支座摩擦系數(shù)對(duì)梁的抗滑性也有重要的影響，因此這是一種有限的方法。