獨(dú)柱單支承上部結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算分析及應(yīng)用

霍軍會(huì) 孫海霞

(陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710075)

獨(dú)柱單支承上部結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算分析及應(yīng)用

霍軍會(huì) 孫海霞

(陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710075)

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，分析了獨(dú)柱單支承梁式橋傾覆破壞特征，據(jù)此制定出了適用于驗(yàn)算獨(dú)柱支承梁式橋傾覆穩(wěn)定性的計(jì)算方法，并結(jié)合實(shí)例對(duì)某座獨(dú)柱單支承現(xiàn)澆梁橋進(jìn)行了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，可供同類橋梁的設(shè)計(jì)及維修加固參考。

獨(dú)柱，單支承，抗傾覆，穩(wěn)定性，驗(yàn)算分析

1 概述

在橋梁設(shè)計(jì)中，由于受到場(chǎng)地條件限制或考慮橋下景觀的要求，立交區(qū)現(xiàn)澆箱梁橋下部經(jīng)常采用獨(dú)柱墩設(shè)計(jì)。然而近年來因上部箱梁整體傾覆，導(dǎo)致車毀人亡的事故頻出，因此對(duì)此類橋梁上部?jī)A覆穩(wěn)定性的計(jì)算受到了極大重視。目前，設(shè)計(jì)人員重點(diǎn)關(guān)注的問題多集中在橋梁的承載能力方面，相對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性方面關(guān)注不足，另外橋梁相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)整體傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算方面內(nèi)容相對(duì)缺失，以及車輛嚴(yán)重超載、車輛通行受限等原因，導(dǎo)致了獨(dú)柱單支承橋梁傾覆事故的發(fā)生[1]。本文首先分析了獨(dú)柱單支承上部結(jié)構(gòu)傾覆破壞特征，其次根據(jù)其破壞特征提出獨(dú)柱單支承上部結(jié)構(gòu)傾覆穩(wěn)定性的計(jì)算方法，最后結(jié)合本計(jì)算方案對(duì)一座獨(dú)柱單支承現(xiàn)澆梁橋進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

2 獨(dú)柱單支承上部結(jié)構(gòu)傾覆破壞特征分析[2]

獨(dú)柱單支承上部結(jié)構(gòu)在偏心荷載作用下，墩柱及基礎(chǔ)所受橫向彎矩和水平剪力逐漸增大，當(dāng)其超出承載力時(shí)，基礎(chǔ)或墩柱將發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致主梁整體傾覆。此類傾覆穩(wěn)定性主要依賴于基礎(chǔ)和中墩的受力特性，其傾覆穩(wěn)定性的驗(yàn)算最終歸結(jié)為中墩及其基礎(chǔ)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算，可采用公路規(guī)范的荷載組合及相應(yīng)驗(yàn)算內(nèi)容。中墩鉸接的獨(dú)柱單支承上部結(jié)構(gòu)(直線橋)在偏心荷載作用下，邊支座可能出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)體系發(fā)生轉(zhuǎn)換，隨荷載增加，橋梁將無法再次達(dá)到平衡狀態(tài)，從而發(fā)生上部結(jié)構(gòu)整體傾覆。其在整個(gè)傾覆過程中主梁旋轉(zhuǎn)軸基本不變，邊支座脫空后經(jīng)過很短的時(shí)間即發(fā)生整體傾覆破壞。中墩鉸接的獨(dú)柱單支承上部結(jié)構(gòu)(曲線橋)在偏心荷載作用下，邊支座首先出現(xiàn)脫空，從而結(jié)構(gòu)主梁支承體系發(fā)生變化，隨著荷載增加，結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成新的平衡狀態(tài)，當(dāng)荷載增量導(dǎo)致不能再次達(dá)到平衡狀態(tài)，或因中墩支座破壞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)強(qiáng)度破壞時(shí)，橋梁將發(fā)生整體傾覆，一般情況下，中墩支座破壞較早發(fā)生。

3 獨(dú)柱單支承梁式橋傾覆穩(wěn)定性計(jì)算方法

3.1 驗(yàn)算荷載工況

工況一：公路—Ⅰ級(jí)車道荷載；工況二：1.3倍公路—Ⅰ級(jí)車道荷載；工況三：規(guī)范55 t車輛荷載，車隊(duì)縱向兩車前后軸的軸距為10 m，即車隊(duì)縱向兩車的中心距為22.8 m；工況四：1.3倍工況三荷載。

3.2 橋梁上部結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算方法

獨(dú)柱單支承上部結(jié)構(gòu)在驗(yàn)算橋梁整體抗傾覆穩(wěn)定性時(shí)，需驗(yàn)算在汽車荷載偏載情況下橋梁支座是否發(fā)生脫空情況。

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9.7.4條中只有禁止支座脫空的描述，并沒有對(duì)上部結(jié)構(gòu)傾覆穩(wěn)定性的相關(guān)規(guī)定。

JTG D62-2012公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范征求意見稿4.1.9條規(guī)定：

獨(dú)柱單支承結(jié)構(gòu)梁橋應(yīng)進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算。且抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)滿足如下要求：

γqf=Sbk/Ssk≥2.5。

其中，γqf為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；Sbk為上部結(jié)構(gòu)傾覆的汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)(含沖擊作用)；Ssk為上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合。根據(jù)結(jié)構(gòu)傾覆不先于設(shè)計(jì)汽車荷載、實(shí)際運(yùn)營(yíng)汽車荷載與結(jié)構(gòu)延性破壞的相互關(guān)系，明確獨(dú)柱單支承上部結(jié)構(gòu)的橋梁抗傾覆系數(shù)不應(yīng)小于2.5。在獨(dú)柱單支承上部結(jié)構(gòu)傾覆過程分析中，傾覆的初期是橋臺(tái)支座脫空，此時(shí)結(jié)構(gòu)體系會(huì)發(fā)生變化，甚至?xí)菇Y(jié)構(gòu)變化為機(jī)動(dòng)體系，因此在作用標(biāo)準(zhǔn)值組合下不應(yīng)出現(xiàn)支座脫空(汽車荷載考慮沖擊作用)。

4 應(yīng)用算例

4.1 設(shè)計(jì)概況

阿房宮互通式立交為西安繞城高速公路與西寶高速西安至興平段交叉所設(shè)樞紐立交。立交H匝道承擔(dān)繞城高速上西寶高速寶雞方向的車輛通行，路基寬度12 m，設(shè)計(jì)速度40 km/h。

H匝道橋第三聯(lián)采用現(xiàn)澆箱梁上跨F匝道，夾角僅為31°，為減小跨徑，將中墩設(shè)置為獨(dú)柱墩，分隔墩為雙柱墩，平面位于緩和曲線上，需要進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算。

支座平面布置圖見圖1，平面布置圖見圖2。

4.2 計(jì)算模型

采用空間有限元程序MIDAS/Civil2010進(jìn)行驗(yàn)算，依據(jù)剪力—柔性梁格理論建立空間梁格模型，計(jì)算模型簡(jiǎn)圖如圖3所示。

4.3 箱梁抗傾覆驗(yàn)算

通過MIDAS程序計(jì)算得出支座恒載反力和活載不同工況下的最大、最小反力，并對(duì)支座反力進(jìn)行組合，驗(yàn)算支座在最小反力組合下是否出現(xiàn)負(fù)反力即脫空現(xiàn)象。

4.3.1 沖擊系數(shù)的計(jì)算

該聯(lián)橋的基頻為4.33 Hz，根據(jù)公式μ=0.176 7lnf-0.015 7，計(jì)算得出沖擊系數(shù)為0.243。

4.3.2 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，各工況作用下橋梁傾覆系數(shù)如表1所示。

表1 各工況作用下橋梁傾覆系數(shù)

4.4 驗(yàn)算結(jié)果

1)根據(jù)恒載和汽車荷載的計(jì)算結(jié)果，該聯(lián)橋的支座在四種工況作用標(biāo)準(zhǔn)值組合下均未產(chǎn)生負(fù)反力，不會(huì)發(fā)生支座脫空的現(xiàn)象。2)該聯(lián)橋在四種工況下抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2.5，滿足上部結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定的要求。

5 結(jié)語

獨(dú)柱墩單支撐梁式橋外形簡(jiǎn)潔輕巧、橋下占用空間小，橋梁整體美觀。但此橋梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性較差，上部結(jié)構(gòu)易發(fā)生整體傾覆。橋梁傾覆破壞類似于脆性破壞，一旦發(fā)生，破壞嚴(yán)重，且會(huì)產(chǎn)生特別惡劣的社會(huì)影響。因此，此類橋梁上部結(jié)構(gòu)傾覆穩(wěn)定性的計(jì)算應(yīng)引起相關(guān)從業(yè)人員的高度重視。

[1] 梁 峰.三跨獨(dú)柱連續(xù)梁橋抗傾覆能力研究[J].公路，2009,10(10)：40-43.

[2] 占玉林，趙人達(dá).連續(xù)彎梁橋特性分析[J].四川建筑，2004(2)：42-43.

The checking analysis and application of anti overturning stability of single column single support upper structure

HUO Jun-hui SUN Hai-xia

(Shannxi Communications Planning and Design Institute, Xi’an 710075, China)

According to the structural stress characteristics, analysis of single column single support beam bridge overturning failure characteristics, determined the calculation method is suitable for calculation of single column supported beam bridge of overturning stability, and combining with the example, made stability evaluation to a single column single support cast-in-place girder bridge, design and repair for the similar bridge reinforcement reference.

single column, single support, antioverturning, stability, checking analysis

1009-6825(2014)31-0065-02

2014-08-28

霍軍會(huì)(1982- )，男，工程師； 孫海霞(1982- )，女，工程師

TU311.2

A