支座偏心距對(duì)匝道橋抗傾覆穩(wěn)定性能的影響

王　偉，王慶忠

(1.濟(jì)南西城投資開(kāi)發(fā)集團(tuán)有限公司，山東　濟(jì)南　250117；2.濟(jì)南西城投資開(kāi)發(fā)集團(tuán)有限公司，山東　濟(jì)南　250117)

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支座偏心距對(duì)匝道橋抗傾覆穩(wěn)定性能的影響

王偉1，王慶忠2

(1.濟(jì)南西城投資開(kāi)發(fā)集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南250117；2.濟(jì)南西城投資開(kāi)發(fā)集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南250117)

王偉(1988—)，助理工程師，碩士研究生，主要從事土木工程行業(yè)工作；

王慶忠(1970—)，高級(jí)工程師，主要從事土木工程行業(yè)工作。

摘要：文章以現(xiàn)運(yùn)營(yíng)的某一匝道橋?yàn)槔瑥臉蛄褐ё木嗟牟贾贸霭l(fā)，結(jié)合現(xiàn)有的公路橋梁規(guī)范，建立MIDAS/CIVEL有限元模型對(duì)匝道橋的抗傾覆穩(wěn)定性能進(jìn)行計(jì)算分析，探討支座偏心距對(duì)匝道橋整體抗傾覆穩(wěn)定性能的影響，并提出支座合理化設(shè)計(jì)的相關(guān)建議，為類似工程的設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。

關(guān)鍵詞：匝道橋；支座偏心距；抗傾覆穩(wěn)定性；MIDAS/CIVEL；合理設(shè)計(jì)

0引言

匝道橋在城市高架立交中運(yùn)用較為廣泛，為了節(jié)約橋下空間，提高美觀效果，設(shè)計(jì)者經(jīng)常采用獨(dú)柱墩形式。城市匝道較主線橋梁往往自重小、寬度窄，移動(dòng)荷載所占比重較大，隨著交通量日益增多，橋梁所承受的荷載日益增大，近幾年也頻頻發(fā)生橋梁傾覆事故。在匝道橋的設(shè)計(jì)過(guò)程中，如何安排合理的偏心距對(duì)其抗傾覆性能極為重要，因此有必要對(duì)此類匝道橋的設(shè)計(jì)進(jìn)行必要的抗傾覆穩(wěn)定性能驗(yàn)算，得到最合理的支座偏心距。

1工程概況

該十字路跨線橋采用等高度連續(xù)梁，梁高1.4 m，4跨一聯(lián)，全橋三聯(lián)。布置為：(4×20+4×30+4×20)m。主梁為等高度箱梁，單箱單室，高1.4 m，頂板寬8.0 m，底板寬4.5 m，每側(cè)挑臂長(zhǎng)1.75 m。跳臂端部厚15 cm，根部厚40 cm，頂板等厚25 cm，底板等厚20 cm。30 m跨徑箱梁腹板厚60 cm，20 m跨徑箱梁腹板厚50 cm。腹板與頂板相接處設(shè)100×20 cm承托，與底板相接處設(shè)50 cm×20 cm加腋。梁體采用C50混凝土，φj15.2鋼絞線，Ryb=1 860MPa(符合GB5224-85)，荷載等級(jí)為公路1級(jí)，鋼筋混凝土重力密度按25.5kN/m3取。

本論文只研究中間主梁部分，中間3個(gè)墩為獨(dú)柱墩，上設(shè)盆式橡膠支座。中間的支座為固定支座，另兩個(gè)為單向活動(dòng)支座。兩側(cè)采用盆式橡膠支座。橋梁具體支座布置見(jiàn)圖1(平面圖)。

圖1　支座布置圖

2計(jì)算依據(jù)

根據(jù)JTGD62-2004《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》5.1條，抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算應(yīng)該按照極限承載力計(jì)算，荷載組合系數(shù)則按照規(guī)范4.1.6條對(duì)承載能力極限狀態(tài)基本組合荷載效應(yīng)系數(shù)進(jìn)行取值[1]。

3建立模型

實(shí)體橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力箱型梁結(jié)構(gòu)體系，宜采用大型有限元軟件MIDAS/CIVEL建立模型進(jìn)行計(jì)算，全橋共劃分為122個(gè)單元，137個(gè)節(jié)點(diǎn)，比較真實(shí)地模擬了主橋各梁段的截面形狀，對(duì)截面變化復(fù)雜的梁段如變截面和支點(diǎn)處等都進(jìn)行了細(xì)化。支座底部與橋墩頂部采用一般支承模擬，支座本身采用彈性連接模擬，支座頂部與主梁梁體采用剛性連接進(jìn)行模擬，對(duì)于縱坡較大的橋梁，固定端模擬支座應(yīng)設(shè)置在縱坡低端，這樣模擬可有利于主梁梁體受力，主梁自重可以轉(zhuǎn)化為梁體壓應(yīng)力，就相當(dāng)于施加了預(yù)應(yīng)力，本文所選匝道縱坡較小，所以不予考慮。建立有限元模型見(jiàn)圖2~3。

圖2　支座模擬示意圖

圖3　變截面細(xì)部剖面圖

本節(jié)計(jì)算模型所采用的工程實(shí)例依然同上，但將支座預(yù)偏心值分別設(shè)置為10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、80cm、100cm及200cm八種情況，荷載工況為自重+二期+預(yù)應(yīng)力+升溫18度+移動(dòng)荷載[2]。(1)計(jì)算各預(yù)偏心狀態(tài)下的支座反力，并根據(jù)不同的需求，描繪曲線散點(diǎn)圖，看其支座的受力規(guī)律，尋找出合理受力的預(yù)偏心范圍；(2)通過(guò)計(jì)算分析者8種狀態(tài)下梁體的扭矩及扭轉(zhuǎn)位移，進(jìn)一步確定合理的預(yù)偏心范圍，并找到最佳預(yù)偏心值。

3.1　支座反力結(jié)果分析比較(kN)

不同預(yù)偏心下的支座反力情況見(jiàn)表1。

表1　不同預(yù)偏心下的支座反力表(kN)

由表1可得在預(yù)偏心值逐漸增大狀態(tài)下，1#~7#支座支座反力變化圖(見(jiàn)圖4)。

圖4　各支座在不同預(yù)偏心值下的反力曲線圖

由圖4可發(fā)現(xiàn)，在預(yù)偏心值逐漸變大的過(guò)程中，3#、4#與5#支座受力基本重合，1#與6#支座受力基本重合，2#與7#支座受力基本重合。其中3#、4#與5#支座受力曲線圖保持平直，這說(shuō)明中間獨(dú)柱墩上的單點(diǎn)鉸支座受力與預(yù)偏心值的大小兩者之間基本沒(méi)什么影響；但1#與6#支座(即端部外側(cè)支座)受力曲線隨著預(yù)偏心值的增大而逐漸減小，大致在1.7m處之后將會(huì)產(chǎn)生負(fù)反力，此時(shí)支座將會(huì)脫空；可以看到，2#與7#支座反力在預(yù)偏心值為10cm時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生負(fù)反力，此時(shí)兩個(gè)支座處于脫空狀態(tài)，所以此由圖可以看到端支座內(nèi)外側(cè)支座不出現(xiàn)負(fù)反力的范圍為距離梁底中心線15~175cm之間，這之間為支座預(yù)偏心合理范圍。同時(shí)，單從支座反力這一點(diǎn)看，在預(yù)偏心值為80cm時(shí)，內(nèi)外側(cè)支座反力值相近，此時(shí)預(yù)偏心比較合理。但是支座合理預(yù)偏心不能單從支座反力或是單從單個(gè)支座受力規(guī)律來(lái)決定，還要有總體系統(tǒng)的對(duì)比分析[3]。

由表1可得8種預(yù)偏心狀態(tài)下匝道橋支座反力曲線散點(diǎn)圖(見(jiàn)圖5)。

圖5　不同預(yù)偏心值下的支座反力曲線圖

由圖5可以看到，在預(yù)偏心值為200cm時(shí)，支座反力曲線與其他預(yù)偏心下變化規(guī)律有明顯的不同，這是由于偏心值過(guò)大，導(dǎo)致了端支座反力分布出現(xiàn)問(wèn)題，梁體有向內(nèi)側(cè)傾覆的趨勢(shì)，這是不可取的；在預(yù)偏心值為10cm時(shí)，2#、7#支座也是負(fù)反力，這些出現(xiàn)負(fù)反力的情況都是要避免的。在預(yù)偏心值為20~80cm范圍內(nèi)，受力都有相同的規(guī)律性，且都沒(méi)有負(fù)反力的出現(xiàn)。

3.2　梁體扭矩結(jié)果分析比較

由計(jì)算模型可以得到預(yù)偏心值為10~100cm(200cm情況不予考慮)時(shí)的梁體扭矩值(見(jiàn)表2)。

表2　不同預(yù)偏心下最大、最小扭矩值表(kN·m)

由表2可見(jiàn)，預(yù)偏心值在10~40cm，其端支座扭矩在逐漸減小；預(yù)偏心值為40~100cm，其端支座扭矩在逐漸增大，當(dāng)偏心距為40cm時(shí)，最大、最小扭矩值在各個(gè)預(yù)偏心中是最小的，且為端部支座扭矩值。而當(dāng)預(yù)偏心值在50cm、80cm、100cm時(shí)，產(chǎn)生的最大扭矩值位置不在端支座處，而是在獨(dú)柱墩單鉸支座處，由于獨(dú)柱墩匝道橋抗扭效果主要是其端部支座來(lái)提供，而單鉸支座不具備抗扭性能，所以這種狀況是不合理的。

3.3　梁體扭轉(zhuǎn)位移結(jié)果分析比較

通過(guò)模型分別計(jì)算在10~100cm(忽略200cm)的預(yù)偏心下匝道橋的扭轉(zhuǎn)變形值，并繪出各狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)變形散點(diǎn)曲線圖(見(jiàn)圖6)。

圖6　不同預(yù)偏心下梁體扭轉(zhuǎn)位移曲線圖

由圖6可以看到，預(yù)偏心值為50cm的扭轉(zhuǎn)變形為一個(gè)分界點(diǎn)；當(dāng)預(yù)偏心值>50cm時(shí)，扭轉(zhuǎn)變形為正值，且隨著預(yù)偏心的增大，扭轉(zhuǎn)變形逐漸增大，此時(shí)，匝道橋會(huì)出現(xiàn)向內(nèi)側(cè)扭轉(zhuǎn)的趨勢(shì)；當(dāng)預(yù)偏心值<50cm時(shí)，扭轉(zhuǎn)變形為負(fù)值，且隨著預(yù)偏心的增大，扭轉(zhuǎn)位移逐漸減小，此時(shí)，匝道橋會(huì)出現(xiàn)向外側(cè)扭轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，并且可以看到，在預(yù)偏心值為40cm時(shí)，扭轉(zhuǎn)位移最小。

4結(jié)語(yǔ)

結(jié)合支座反力、梁體扭矩及梁體的扭轉(zhuǎn)位移結(jié)果對(duì)比分析，可以得到，在預(yù)偏心值為40cm時(shí)，匝道橋的受力最為合理，因此40cm的預(yù)偏心值為合理的預(yù)偏心值。在計(jì)算支座預(yù)偏心時(shí)，大多在對(duì)合理預(yù)偏心的確定過(guò)程中只考慮了對(duì)支座反力的對(duì)比分析，找到能夠使支座不出現(xiàn)負(fù)反力的區(qū)間即為合理區(qū)間，內(nèi)外側(cè)支座反力相等時(shí)的偏心位置為合理偏心位置。本文細(xì)化了對(duì)支座偏心距取值的計(jì)算分析，除了考慮支座反力，還考慮到梁體扭轉(zhuǎn)因素的影響，使合理區(qū)間的取值進(jìn)一步縮小，這樣找出的預(yù)偏心能夠進(jìn)一步精確。

參考文獻(xiàn)

[1]JTGD62-2004，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[S].

[2]JTGD60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[3]劉德華，金偉良，劉斌，等.獨(dú)柱墩曲線梁橋中的支座分析[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006(1)：113-116.

Impact of Bearing Eccentricity on Anti-overturning Stability Performance of Ramp Bridges

WANG Wei1，WANG Qing-zhong2

(1.Jinan Xicheng Investment and Development Group Co.，Ltd.，Jinan，Shandong，250117；2.Jinan Xicheng Investment and Development Group Co.，Ltd.，Jinan，Shandong，250117)

Abstract：With a ramp bridge under operation as the example，starting from the arrangement of bridge bearing eccentricity，and combined with the existing highway bridge specifications，this article built the MIDAS/CIVEL finite element model to calculate and analyze the anti-overturning stability of ramp bridge，discussed the impact of bearing eccentricity on overall anti-overturning stability performance of ramp bridges，and proposed the corresponding recommendations for the rationalization design of bearings，thereby providing the reference for the design calculations of similar projects.

Keywords：Ramp bridge；Bearing eccentricity；Anti-overturning stability；MIDAS/CIVEL；Rational design

收稿日期：2015-07-06

文章編號(hào)：1673-4874(2015)08-0068-04

中圖分類號(hào)：U442

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.08.017

作者簡(jiǎn)介