彎橋抗傾覆性能研究

宋恒揚(yáng)，李海濤

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

箱梁結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外市政高架、立交樞紐、公路互通匝道等結(jié)構(gòu)。為滿足通行要求，橋下空間受限時(shí)，常采用獨(dú)柱式橋墩，減少占地空間?；ネㄔ训罉蛞蚴芸v坡及線形等條件所限而體現(xiàn)出坡、彎、斜、異形等不同特點(diǎn)，從受力角度上，不僅具有直橋的共性，同時(shí)具有自己的特征，相對(duì)于直梁橋剪、彎作用，匝道橋在剪、彎、扭等復(fù)合作用下進(jìn)行受力。常規(guī)匝道橋面寬度一般取8～15 m，曲率半徑取60～225 m之間，大部分為等高或變高預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁[1]。

通常情況下，匝道橋的兩端設(shè)置抗扭支座，中間采取點(diǎn)鉸支座或固結(jié)，或者是點(diǎn)鉸和抗扭混合使用。第一種支座方式在城市立交中較為普遍，優(yōu)點(diǎn)是中間單墩單支座占據(jù)空間小，外觀簡(jiǎn)潔優(yōu)美。第二種支座方式主要結(jié)合實(shí)際情況，中墩采用抗扭支座，此種設(shè)置可大大改善曲線橋梁的受力，但通常占據(jù)面積較大，且外形不如單墩單支座簡(jiǎn)潔。

近年來(lái)我國(guó)相繼發(fā)生數(shù)起匝道橋傾覆垮塌案例如表1所示，上述事故均具有相同的特征。橋梁兩端設(shè)置抗扭支座，中間進(jìn)行點(diǎn)鉸支撐；發(fā)生事故起因均是偏心荷載作用，支座脫空，支撐體系失效，傾覆事故中，超載現(xiàn)象尤為突出；結(jié)構(gòu)破壞突然，梁體傾覆后，主梁、橋墩基本完好無(wú)損，部分支座，蓋梁破壞[2]。

表1 傾覆箱梁匝道信息

1 橋梁抗傾覆計(jì)算流程

《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)只提及抗傾覆驗(yàn)算，但并未給出詳細(xì)的計(jì)算公式，在《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362—2018)中詳細(xì)給出了計(jì)算方法，橋梁傾覆屬于承載能力極限狀態(tài)范疇。梁體從正常狀態(tài)到傾覆破壞經(jīng)歷了兩個(gè)過(guò)程。在狀態(tài)1，單向受壓支開(kāi)始脫空，單向支座持續(xù)脫空；進(jìn)入狀態(tài)2，箱梁抗扭支撐失效，箱梁變形發(fā)散、梁體翻轉(zhuǎn)、支座被擠出、橋墩斷裂。針對(duì)上面兩種特征狀態(tài)，進(jìn)行兩種抗傾覆驗(yàn)算工況驗(yàn)算。

(1)基本組合下，單支座受壓。

(2)穩(wěn)定作用效應(yīng)/失穩(wěn)作用效應(yīng)≥2.5。

2 直、彎橋傾覆受力特性

傾覆始于支座脫空，直橋與彎橋的傾覆差異及彎橋的曲率半徑大小對(duì)其抗傾覆性能的影響[3-4]，同時(shí)溫度作用對(duì)彎橋的橫向移動(dòng)的影響都是需要研究的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)比同跨徑直橋和彎橋的抗傾覆性能，同時(shí)對(duì)比不同曲率半徑的彎橋抗傾覆性能及彎橋在溫度荷載作用下的橫向爬移得出相關(guān)結(jié)論。

直橋和彎橋的支座布置形式如圖1和圖2，兩邊設(shè)置抗扭支座，中間設(shè)置單支座。

圖1 直線橋支座布置

圖2 曲線橋支座布置

研究對(duì)象為(35+35+30)m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，利用有限元軟件midas Civil分別建立直橋和曲率半徑為100 m的彎橋模型進(jìn)行計(jì)算分析，支座間距為3.5 m，取兩車道左偏、中心對(duì)稱布置、右偏的支座反力包絡(luò)，直橋模型的支座約束形式如圖3所示，彎橋模型的支座約束形式如圖4所示。midas Civil提取支座并發(fā)反力，用CDN對(duì)兩橋進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算。

圖3 直橋模型

圖4 R=100 m彎橋模型

注：橫坐標(biāo)1～6分別代表1-1、1-2、2、3、4-1、4-2支座圖5 直彎橋支座反力對(duì)比

在狀態(tài)1，在1.0恒載+1.4車道荷載作用下，直橋最小支座反力位于1-1處，為393.7 kN；彎橋最小支座反力位于4-1處，為217.6 kN；在狀態(tài)2，直橋抗傾覆系數(shù)為2.17<2.5，彎橋的抗傾覆系數(shù)為2.01<2.5，直彎橋的支座反力如圖5所示，由以上數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論。

中支座反力最大，不論中支座是否固結(jié)，兩邊的抗扭支座反力較?。?/p>

直橋傾覆時(shí)梁體繞著1-1和4-1的連線，彎橋傾覆時(shí)梁體繞著1-1和2-3和4-1的連線，直橋抗力矩大于彎橋的，因此直橋的穩(wěn)定系數(shù)大于彎橋，這和計(jì)算數(shù)據(jù)是相吻合的。

由于上述兩橋狀態(tài)2的抗傾覆系數(shù)均小于2.5，將中間2#支座均換成抗扭支座，支座間距4 m，直橋的最小抗傾覆系數(shù)為8.82，彎橋?yàn)?.05，滿足規(guī)范要求。由此可知，中間設(shè)置抗扭支座(2+2+1+2模式)比中間點(diǎn)鉸支座(2+1+1+2模式)穩(wěn)定性更強(qiáng)，對(duì)梁體的橫向抗傾覆性能有很大提升，但是直橋穩(wěn)定性仍較彎橋好[5]。

取曲率半徑分別為60 m，70 m，80 m，100 m，300 m，500 m，700 m的彎橋進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，其余條件同前，支座采用2+2+1+2模式，支座反力結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同曲率半徑下支座反力

如圖7所示，可得到以下結(jié)論。

在1.0恒載+1.4車道荷載作用下，2+2+1+2支座模式下，支座反力基本不隨曲率半徑的變化而變化，支座反力的大小分布保持穩(wěn)定。

中間單支座反力和相鄰中墩雙支座合力基本一致，高于邊支座反力，中間使用雙支座可以降低支座反力峰值；

整體上看，曲率半徑越大，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)越大，在半徑為60～80 m之間，抗傾覆系數(shù)基本保持不變，在300～700 m之間，抗傾覆系數(shù)基本不變，R=70 m時(shí)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)小于R=60 m的[6]。

3 溫度對(duì)彎橋的影響

杭州蕭山區(qū)工人路高架橋非機(jī)動(dòng)車匝道由于溫度作用導(dǎo)致梁體橫向爬移，引起梁的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，最終傾覆[7]。本節(jié)研究在整體升降溫作用和梁截面溫度正負(fù)梯度分別作用下，彎橋梁體橫向位移情況，模型仍取曲率半徑為100 m，支座約束采用2+1+1+2模式，整體升溫20 ℃，降溫20 ℃，梁截面梯度溫度按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)4.3.12施加，考慮橋面100 mm的瀝青混凝土鋪裝，T1=14 ℃，T2=5.5 ℃。

灰色線代表變形前梁體位置，由圖8～圖11可得到如下結(jié)論。

圖8 升溫下梁體橫向位移(單位：mm)

圖9 降溫下梁體橫向位移(單位：mm)

圖10 正溫梯梁體橫向位移(單位：mm)

圖11 負(fù)溫梯梁體橫向位移(單位：mm)

在系統(tǒng)升降溫作用下，固結(jié)的中墩位置未發(fā)生變化，梁的兩端分別發(fā)生同向的橫向位移，升溫作用下，梁體有增大曲率的趨勢(shì)，降溫則正好相反。

在梁截面溫度梯度作用下，中墩支座和邊支座處均發(fā)生橫向位移，正溫度梯度作用下，梁體有增大曲率的趨勢(shì)，在負(fù)溫度梯度下則相反。

橫向位移隨著曲率半徑的增大逐漸減小，直梁未發(fā)生橫向位移。

溫度作用下的梁體橫向位移一直是被大家所忽視的傾覆影響因素之一，因?yàn)閭?cè)向約束的存在，梁體橫向位移較小，但是支座的側(cè)向約束失效，梁體將發(fā)生很大的橫向位移，中部的單支座對(duì)梁的偏心距亦增大，梁體發(fā)生剛性的轉(zhuǎn)體失穩(wěn)。

4 結(jié) 論

橋梁抗傾覆始于支座脫空，標(biāo)志之一是梁體發(fā)生巨大轉(zhuǎn)角，影響傾覆的因素主要有以下幾點(diǎn)。

中支座脫空導(dǎo)致的反力重分配，邊支座反力激增；墩和梁之間存在的水平力，梁體發(fā)生轉(zhuǎn)角的時(shí)候會(huì)對(duì)墩頂產(chǎn)生水平力，水平力同時(shí)會(huì)增大偏心距，可能導(dǎo)致梁體下滑，繼而又增加墩頂?shù)乃搅?，形成惡性循環(huán)；溫度作用下的梁體橫向爬移。[8]

對(duì)比分析直橋和彎橋的抗傾覆性能，得出以下結(jié)論。

中支座反力最大，不論中支座是否固結(jié)，兩邊的抗扭支座反力較??；

直橋傾覆時(shí)梁體繞著1-1和4-1的連線，彎橋傾覆時(shí)梁體繞著1-1和2-3和4-1的連線，直橋抗力矩大于彎橋的，因此直橋的穩(wěn)定系數(shù)大于彎橋，這和計(jì)算數(shù)據(jù)是相吻合的。

由于上述兩橋狀態(tài)2的抗傾覆系數(shù)均小于2.5，將中間2#支座均換成抗扭支座，支座間距4 m，直橋的最小抗傾覆系數(shù)為8.82，彎橋?yàn)?.05，滿足規(guī)范要求。由此可知，中間設(shè)置抗扭支座(2+2+1+2模式)比中間點(diǎn)鉸支座(2+1+1+2模式)穩(wěn)定性更強(qiáng)，對(duì)梁體的橫向抗傾覆性能有很大提升，但是直橋穩(wěn)定性仍較彎橋好。

對(duì)比不同曲率半徑彎橋抗傾覆性能得出以下結(jié)論。

在1.0恒載+1.4車道荷載作用下，2+2+1+2支座模式下，支座反力基本不隨曲率半徑的變化而變化，支座反力的大小分布保持穩(wěn)定；中間單支座反力和相鄰中墩雙支座合力基本一致，高于邊支座反力，中間使用雙支座可以降低支座反力峰值；整體上看，曲率半徑越大，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)越大，在R=60～80 m之間，抗傾覆系數(shù)基本保持不變，在300～700 m之間，抗傾覆系數(shù)基本不變，R=70 m時(shí)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)小于R=60 m的。

系統(tǒng)溫度和截面梯度溫度對(duì)梁體橫向位移影響得出以下結(jié)論。

在系統(tǒng)升降溫作用下，固結(jié)的中墩位置未發(fā)生變化，梁的兩端分別發(fā)生同向的橫向位移，升溫作用下，梁體有增大曲率的趨勢(shì)，降溫則正好相反；在梁截面溫度梯度作用下，中墩支座和邊支座處均發(fā)生橫向位移，正溫度梯度作用下，梁體有增大曲率的趨勢(shì)，在負(fù)溫度梯度下則相反；橫向位移隨著曲率半徑的增大逐漸減小，直梁未發(fā)生橫向位移。

5 建 議

單支座橫向穩(wěn)定性不及雙支座，但不是說(shuō)一定不能使用單支座，在條件允許下，可優(yōu)先選用雙支座，嚴(yán)禁超載現(xiàn)象。

橋梁傾覆過(guò)程中存在明顯的幾何非線性，還需進(jìn)一步研究。[9]

車輛荷載分布有很大的區(qū)域性，車輛荷載形式也有較大差異，傾覆穩(wěn)定系數(shù)2.5的取值是否能涵蓋所有地區(qū)，值得深入研究。

常規(guī)的抗傾覆驗(yàn)算同時(shí)需要進(jìn)行上下部結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算。