獨(dú)柱墩曲線梁橋抗傾覆影響因素分析

楊竟南 劉 斌 史言穩(wěn)

(1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 430056； 2.江蘇金普工程咨詢(xún)有限公司 徐州 221700)

2021年12月18日，湖北省鄂州市發(fā)生一起橋梁傾覆事故，事故造成了重大人員、財(cái)產(chǎn)損失，事故發(fā)生時(shí)，1輛超載大貨車(chē)在橋上偏載行駛。在此之前，已有多座橋梁發(fā)生了同樣的事故，2019年江蘇無(wú)錫一座跨線橋傾覆，2011年上虞市春暉互通立交匝道傾覆?？偨Y(jié)這些事故發(fā)生的原因，均為超載車(chē)輛偏載行駛引起獨(dú)柱墩橋梁傾覆。發(fā)生事故的橋梁上部結(jié)構(gòu)均為整體式連續(xù)箱型混凝土梁或鋼箱梁，下部結(jié)構(gòu)均存在1個(gè)甚至2個(gè)獨(dú)柱墩，橋梁平面多位于曲線上。

獨(dú)柱墩由于其占地面積小、造型輕盈、橋下凈空大、工程造價(jià)低，在公路和市政工程中被廣泛應(yīng)用[1]。獨(dú)柱墩橋梁多為跨線橋，由于橋下路線的限制，常規(guī)橋墩不滿(mǎn)足布設(shè)條件，特別是受地形限制時(shí)，獨(dú)柱墩往往成為首選方案，因此獨(dú)柱墩往往應(yīng)用于互通立交匝道橋中。受橋墩尺寸的限制，獨(dú)柱墩墩頂多為單支座。然而單支座無(wú)法對(duì)主梁形成扭轉(zhuǎn)約束，使得橋梁結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能大大降低[2]。

互通立交因路線與轉(zhuǎn)向的需求，往往需要設(shè)置曲線橋梁。曲線橋梁由于存在“彎扭耦合”效應(yīng)，受力與直線橋梁有很大的不同。在對(duì)稱(chēng)荷載的作用下，內(nèi)側(cè)的支座反力小于外側(cè)，曲率半徑越小，“彎扭耦合”效應(yīng)越明顯，甚至在恒載作用下，曲線橋內(nèi)側(cè)邊跨支座就有可能脫空，如曲線橋中存在獨(dú)柱墩，在偏載重車(chē)的作用下，極易發(fā)生橋梁傾覆[3]。因此，本文結(jié)合某獨(dú)柱墩曲線梁橋的工程實(shí)例，分析不同因素對(duì)橋梁抗傾覆性能的影響。

1 橋梁抗傾覆計(jì)算依據(jù)

2018年以前，規(guī)范對(duì)于橋梁抗傾覆計(jì)算方法沒(méi)有進(jìn)行明文規(guī)定，橋梁設(shè)計(jì)人員主要依據(jù)JTG D62-2004《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》中支座不得脫空的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)計(jì)算支座是否產(chǎn)生負(fù)反力來(lái)評(píng)定橋梁是否有傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。但是支座沒(méi)有出現(xiàn)負(fù)反力只能說(shuō)明在該驗(yàn)算工況下橋梁不會(huì)發(fā)生傾覆，并不能確定橋梁的抗傾覆安全度。

隨著2007年以來(lái)橋梁傾覆事故的頻發(fā)，引起了國(guó)家的高度重視，并頒布了JTG 3362-2018《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》[4]。該規(guī)范首次對(duì)橋梁抗傾覆驗(yàn)算提出了具體要求并在條文說(shuō)明中給出了詳細(xì)解釋和算例。至此，橋梁抗傾覆驗(yàn)算有了明確的計(jì)算方法，即持久狀況下，橋梁的結(jié)構(gòu)體系不能發(fā)生變化，并且需要滿(mǎn)足：①在基本組合作用下，單向受壓支座始終不能脫空；②標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，作用效應(yīng)應(yīng)符合式(1)的要求。

(1)

式中：kqf為橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)，取kqf=2.5；∑Sbk,i為使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；∑Ssk,i為使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的效應(yīng)設(shè)計(jì)值。

曲線橋梁由于存在“彎扭耦合”效應(yīng)，受力與直線橋梁有很大的不同，曲率半徑越小，“彎扭耦合”效應(yīng)越明顯，曲率半徑越大，則曲線橋越接近直線橋，因此，曲率半徑是影響橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的因素之一。另外，支座間距及支座形式能直接影響式(1)中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定效應(yīng)，因此本文以規(guī)范為依據(jù)，結(jié)合工程實(shí)例，研究曲率半徑、支座間距，以及支座形式對(duì)獨(dú)柱墩曲線梁橋抗傾覆性能的影響。

2 獨(dú)柱墩曲線梁橋抗傾覆分析

2.1 工程概況

某互通F匝道第一聯(lián)平面位于半徑110 m的曲線上，橋跨布置為3×30 m，主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面為單箱單室，橋面寬度為10 m；下部結(jié)構(gòu)采用花瓶墩，除2號(hào)墩為單支座獨(dú)柱墩外，其余各墩墩頂均為雙支座布置，支座間距為3.4 m。橋梁立面、支座布置及標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見(jiàn)圖1。

圖1 橋梁構(gòu)造示意(單位：cm)

2.2 有限元模型建立

采用有限元軟件midas Civil 2021建立模型，一期恒載包括主梁自重，預(yù)應(yīng)力混凝土重度為26 kN/m3，由程序自動(dòng)計(jì)算其自重。二期恒載為防撞護(hù)欄及10 cm厚瀝青混凝土橋面鋪裝，合計(jì)：40.5 kN/m。曲線梁橋受彎扭耦合效應(yīng)的影響，在恒載作用下內(nèi)側(cè)支座的支座反力小于外側(cè)，故在外側(cè)布置車(chē)道荷載對(duì)橋梁傾覆更為不利，活載采用城-A級(jí)，在橋梁外側(cè)按照J(rèn)TG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[5]布置偏載，其示意見(jiàn)圖2，計(jì)算模型及支座編號(hào)見(jiàn)圖3。

圖2 車(chē)道偏載布置圖(單位：m)

圖3 有限元模型及支座編號(hào)圖

2.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)規(guī)范計(jì)算得出該橋的抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表1。經(jīng)驗(yàn)算：①在基本組合作用下，支座出現(xiàn)負(fù)反力，不滿(mǎn)足規(guī)范要求；②標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，箱梁橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)最小為2.1<2.5，不滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表1 獨(dú)柱墩曲線梁橋抗傾覆驗(yàn)算表

由表1可見(jiàn)，受“彎扭耦合”效應(yīng)的影響，在恒載作用下，內(nèi)外側(cè)支座反力極不均勻，存在較大的支座反力差，同一橋墩處內(nèi)側(cè)支座的支座反力均小于外側(cè)支座，其中靠近獨(dú)柱墩的邊跨內(nèi)側(cè)支座1-1支座反力最小，僅573 kN，支座反力差達(dá)到了2 049 kN。在外側(cè)車(chē)道偏載的工況下，在基本組合作用下，支座1-1出現(xiàn)了脫空，負(fù)反力達(dá)到了422 kN。同時(shí)，橋梁的抗傾覆系數(shù)不足，橋梁有傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。

3 曲率半徑對(duì)獨(dú)柱墩曲線梁橋抗傾覆影響分析

為分析曲率半徑對(duì)獨(dú)柱墩曲線梁橋抗傾覆性能的影響，采用控制變量法，保持結(jié)構(gòu)尺寸、約束、荷載不變，僅調(diào)整曲率半徑，分別計(jì)算曲率半徑為55,110,165,220,330,440,550,660,770,880 m和無(wú)窮大(即直線橋)時(shí)橋梁的抗傾覆性能。

隨著曲率半徑的增大，同一橋墩的內(nèi)外側(cè)支座在恒載作用下的反力趨于平衡。選取靠近獨(dú)柱墩的邊跨1號(hào)墩為例，支座1-1和1-2的支座反力隨曲率半徑的變化見(jiàn)圖4。

圖4 恒載作用下1號(hào)墩內(nèi)外側(cè)支座反力

由圖4可見(jiàn)，曲率半徑為55 m時(shí)，內(nèi)外側(cè)的支座反力差最大，內(nèi)側(cè)支座1-1在恒載作用下已經(jīng)出現(xiàn)了脫空，負(fù)反力為423 kN，外側(cè)支座1-2的支座反力則達(dá)到了3 521 kN。隨著半徑的增大，當(dāng)半徑達(dá)到110 m時(shí)，在恒載作用下1-1支座已沒(méi)有脫空，但支座反力仍然過(guò)小，僅573 kN，不足以抵抗外側(cè)車(chē)道偏載工況下產(chǎn)生的負(fù)反力，支座有脫空的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)半徑達(dá)到220 m時(shí)，恒載作用下支座1-1的支座反力達(dá)到了1 100 kN，此時(shí)在基本組合作用下，支座才未出現(xiàn)負(fù)反力，滿(mǎn)足規(guī)范要求。隨著半徑逐漸增大到無(wú)窮大，“彎扭耦合”效應(yīng)逐漸減弱，1號(hào)墩的內(nèi)外側(cè)支座反力逐漸平衡。3號(hào)墩和4號(hào)墩的支座反力與1號(hào)墩相似。

抗傾覆系數(shù)隨曲率半徑增大呈對(duì)數(shù)型提升，見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)，當(dāng)曲率半徑較小時(shí)，增大曲率半徑對(duì)橋梁的抗傾覆性能有顯著提升。

圖5 不同曲率半徑時(shí)橋梁的抗傾覆系數(shù)

當(dāng)半徑為55 m時(shí)，抗傾覆系數(shù)僅為0；半徑增大到110 m時(shí)，抗傾覆系數(shù)增加到了2.1，仍不滿(mǎn)足規(guī)范要求。隨著半徑增大到165 m，抗傾覆系數(shù)達(dá)到了2.9，但在基本組合作用下，支座1-1仍出現(xiàn)了31 kN的負(fù)反力，此時(shí)負(fù)反力較小，可通過(guò)加裝抗傾覆措施使橋梁滿(mǎn)足規(guī)范要求。當(dāng)半徑達(dá)到220 m后，橋梁的抗傾覆系數(shù)達(dá)到了3.3，在基本組合作用下支座也未出現(xiàn)負(fù)反力，滿(mǎn)足規(guī)范要求。此后，增加曲率半徑仍可提升抗傾覆能力，但增加效果不明顯，曲率半徑為880 m時(shí)，抗傾覆系數(shù)為4.3，相比半徑220 m時(shí)的傾覆系數(shù)僅有30%的提升。曲率半徑從880 m增大到無(wú)窮大時(shí)，抗傾覆系數(shù)僅提升了0.3，說(shuō)明當(dāng)曲率半徑足夠大時(shí)，增大曲率半徑對(duì)抗傾覆能力提升有限，需要選擇其他方式提升橋梁的抗傾覆儲(chǔ)備。在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能避免過(guò)小的曲率半徑，如無(wú)法避免，可采用墩梁固結(jié)或增設(shè)鋼牛腿等方式增強(qiáng)橋梁的抗傾覆性能[6]。

4 支座間距對(duì)獨(dú)柱墩曲線梁橋抗傾覆影響分析

支座間距可直接影響式(1)中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定效應(yīng)，因此，增加支座間距也是有效提升橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的途徑。采用控制變量法，保持結(jié)構(gòu)尺寸、半徑、荷載不變，僅調(diào)整支座間距，分別計(jì)算支座間距為2,2.5,3,3.5,4,4.5 m時(shí)半徑110 m的獨(dú)柱墩曲線梁橋的抗傾覆性能。

在恒載作用下，隨著支座間距的增加，同一橋墩的內(nèi)外側(cè)支座反力差逐漸減小，但由于“彎扭耦合”效應(yīng)的存在，反力差始終保持在較高的水平。仍選取靠近獨(dú)柱墩的邊跨1號(hào)墩為例，支座1-1和1-2的支座反力隨支座間距的變化見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)，支座間距為2 m時(shí)，內(nèi)外側(cè)的支座反力差最大，為3 484 kN，內(nèi)側(cè)支座1-1在恒載作用下已經(jīng)出現(xiàn)了脫空，負(fù)反力為144 kN，外側(cè)支座1-2的支座反力則達(dá)到了3 340 kN。當(dāng)支座間距增大到4.5 m時(shí)，恒載作用下支座1-1的支座反力達(dá)到了824 kN，內(nèi)外側(cè)支座的反力差為1 548 kN，此時(shí)在基本組合作用下，支座才未出現(xiàn)負(fù)反力，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖6 恒載作用下不同支座間距1號(hào)墩內(nèi)外側(cè)支座反力

橋梁的抗傾覆系數(shù)與支座間距呈線性關(guān)系，見(jiàn)圖7。

圖7 不同支座間距時(shí)橋梁的抗傾覆系數(shù)

由圖7可見(jiàn)，當(dāng)支座間距為2 m時(shí)，抗傾覆系數(shù)僅為0.3；支座間距增大到3.5 m時(shí)，抗傾覆系數(shù)增加到了2.3，仍不滿(mǎn)足規(guī)范要求。隨著支座間距增大到4 m，抗傾覆系數(shù)達(dá)到了3.2，但在基本組合作用下，支座1-1仍出現(xiàn)了74 kN的負(fù)反力，此時(shí)負(fù)反力較小，可通過(guò)加裝抗傾覆措施使橋梁滿(mǎn)足規(guī)范要求。當(dāng)支座間距增大到4.5 m時(shí)，橋梁的抗傾覆系數(shù)達(dá)到了4.1，在基本組合作用下支座也未出現(xiàn)負(fù)反力，滿(mǎn)足規(guī)范要求。由此可見(jiàn)，增大支座間距是提高獨(dú)柱墩曲線梁橋抗傾覆能力的有效方法，抗傾覆系數(shù)與支座間距呈線性關(guān)系，支座間距越大，抗傾覆性能越高。在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能拉大支座間距，受限于箱梁底部寬度，支座間距無(wú)法持續(xù)增大，可通過(guò)設(shè)置外伸橫梁提高橋梁的抗傾覆性能。

5 支座形式對(duì)曲線梁橋抗傾覆影響分析

由于單支座無(wú)法對(duì)主梁形成扭轉(zhuǎn)約束，使得橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性大大降低，而雙支座能夠約束主梁的扭轉(zhuǎn)，可顯著提升橋梁的抗傾覆性能。以本文半徑110 m的曲線梁橋?yàn)槔?，?號(hào)墩的單支點(diǎn)支座改為同其他橋墩相同的雙支座，支座間距為3.4 m，抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 更改支座形式后曲線梁橋抗傾覆驗(yàn)算表

對(duì)比表1可以看出，將單支座改為雙支座后，在恒載作用下，各橋墩的內(nèi)外側(cè)支座反力更加均衡，邊跨內(nèi)側(cè)支座1-1的支座反力有顯著提升，達(dá)到了1 049 kN，支座反力差減小到1 125 kN。在外側(cè)車(chē)道偏載的工況下，基本組合作用時(shí)，各支座均未出現(xiàn)負(fù)反力，同時(shí)，橋梁的抗傾覆系數(shù)有顯著提升，達(dá)到了6.6。因此對(duì)于獨(dú)柱墩曲線梁橋而言，將單支座獨(dú)柱墩改造為雙支座墩是比增大曲率半徑、增大支座間距更為有效的抗傾覆措施。在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能避免使用單支座獨(dú)柱墩，更不宜采用連續(xù)的單支點(diǎn)支承形式，CJJ 11-2011《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.2.2條也對(duì)此進(jìn)行了要求[7]。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以獨(dú)柱墩曲線梁橋?yàn)閷?duì)象，分析了曲率半徑、支座間距及支座形式對(duì)橋梁抗傾覆性能的影響，得到如下結(jié)論。

1)曲率半徑較小時(shí)，內(nèi)外側(cè)的支座反力差較大，抗傾覆系數(shù)低，隨著曲率半徑的增加，內(nèi)外側(cè)支座反力趨于平衡，橋梁的抗傾覆系數(shù)呈對(duì)數(shù)提升。尤其當(dāng)曲率半徑較小時(shí)，增大曲率半徑對(duì)橋梁的抗傾覆性能有顯著提升。當(dāng)曲率半徑足夠大時(shí)，增加曲率半徑已無(wú)法有效提升橋梁的抗傾覆系數(shù)，需要選擇其他方式提升橋梁的抗傾覆儲(chǔ)備。在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能避免過(guò)小的曲率半徑，如無(wú)法避免，可采用墩梁固結(jié)的方式增強(qiáng)橋梁的抗傾覆性能。

2)增大支座間距可以有效改善獨(dú)柱墩曲線梁橋的抗傾覆性能，抗傾覆系數(shù)與支座間距呈線性關(guān)系，支座間距越大，抗傾覆性能越高。故在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能拉大支座間距，受限于箱梁底部寬度，支座間距無(wú)法持續(xù)增大，可通過(guò)設(shè)置外伸橫梁提高橋梁的抗傾覆性能。

3)對(duì)于獨(dú)柱墩曲線梁橋而言，將獨(dú)柱墩改造為雙支座墩是比增大曲率半徑、增大支座間距更為有效的抗傾覆措施。在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能避免使用單支座獨(dú)柱墩，更不宜采用連續(xù)的單支點(diǎn)支承形式。

4)應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)小半徑獨(dú)柱墩曲線梁橋的抗傾覆驗(yàn)算，對(duì)驗(yàn)算不通過(guò)的橋梁及時(shí)采取加固措施，將單支座獨(dú)柱墩改造為雙支座墩是較有效的方法。同時(shí)，應(yīng)對(duì)超載車(chē)輛嚴(yán)格限制。