某獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆驗(yàn)算

岳星寶 周嫚

摘要：針對(duì)近年來多座獨(dú)柱墩橋梁的傾覆事故，從橋梁結(jié)構(gòu)受力分析上，先確定傾覆軸線，再根據(jù)傾覆軸線計(jì)算出傾覆扭矩及抗傾覆扭矩，判斷其穩(wěn)定性能。通過實(shí)例演示了獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆驗(yàn)算過程，并提出驗(yàn)算55t重載車隊(duì)列密集偏載于同一側(cè)的最不利工況。

關(guān)鍵詞：獨(dú)柱墩 抗傾覆 驗(yàn)算方法

引言：為了減少與地面空間的沖突，或在多層跨越區(qū)域中空間受限時(shí)，獨(dú)柱墩橋梁被廣泛采用。但是，近年來，國內(nèi)獨(dú)柱墩橋梁連續(xù)發(fā)生橋梁傾覆事件。以下列舉幾個(gè)典型案例。

2012年8月24日，通車不到一年的哈爾濱陽明灘大橋發(fā)生坍塌，4輛貨車墜橋，造成3人死亡，5人受傷。經(jīng)調(diào)查，4輛掛車總重量超過400噸，并且偏載行駛。而坍塌橋聯(lián)為120m長鋼混組合梁，獨(dú)柱墩，橋梁自重較小，在超重的偏載作用下，出現(xiàn)側(cè)翻事故。

2015年6月19日，4輛滿載瓷土的重載貨車并排行駛在粵贛高速城南互通CK0+224.5匝道橋梁時(shí)，發(fā)生橋梁斷裂，事件造成該匝道橋從南往北坍塌，4輛重載貨車掉落橋下，當(dāng)場造成1人死亡、4人受傷?？逅鷺蛄洪L度為75米，寬度為8.5米，橋梁凈高約為11.75米，設(shè)計(jì)荷載為汽車-超20級(jí)，建成年月為2004年1月。上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁，該橋技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定為一類橋。經(jīng)調(diào)查，4輛掛車重量約400噸，坍塌橋聯(lián)獨(dú)柱墩，在超重的偏載作用下，出現(xiàn)垮塌事故。

對(duì)于獨(dú)柱墩橋梁，汽車偏載所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)作用大部分傳遞到雙支座墩臺(tái)，所有中間孔的扭矩最終累積到梁端的雙支座上。較大的扭矩將使另一側(cè)的端支座產(chǎn)生上拔力，如沒有特殊措施，將使支座脫空，繼而發(fā)生傾覆事故。

所以，對(duì)于目前獨(dú)柱墩橋梁來說，目前我國橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)此的驗(yàn)算要求不夠明確和具體，探索科學(xué)可行的方法，對(duì)其進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，有著巨大的社會(huì)價(jià)值。以下通過實(shí)例闡述驗(yàn)算方法。

一、某橋概況

某橋跨徑組合為（24 +25+25+24）m，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，單箱單室截面；下部結(jié)構(gòu)采用圓柱墩、樁柱埋置式橋臺(tái)；支座采用板式橡膠支座；橋面設(shè)置4cm瀝青混凝土。設(shè)計(jì)荷載為汽車-超20級(jí)，掛車-120。于2000年建成通車。

二、抗傾覆驗(yàn)算

（一）驗(yàn)算方法

箱梁橋傾覆過程是在汽車荷載的傾覆作用下，單向受壓支座依次脫空，由邊界條件失效而失去平衡的過程。因此，首先需要確定傾覆軸線，再根據(jù)傾覆軸線計(jì)算出傾覆扭矩及抗傾覆扭矩，則可判斷其穩(wěn)定性能，這里，傾覆扭矩為活載與其至傾覆軸線的乘積，抗傾覆扭矩為恒載作用下各支座反力與其至傾覆軸線的乘積之和。

由于該橋原設(shè)計(jì)采用中交85系列規(guī)范，而目前運(yùn)營荷載為中交04系列規(guī)范，故驗(yàn)算同時(shí)采用中交85及中交04系列規(guī)范。并且，由于目前實(shí)際交通中重載車較多，抗傾覆驗(yàn)算考慮《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60- 2004）規(guī)定的55t（限載55t）重載車組成的密集排列車隊(duì)，前后車間距按0.5m考慮。

（二）中交85系列規(guī)范設(shè)計(jì)荷載作用下抗傾覆計(jì)算

1.抗傾覆軸線的確定

2.抗傾覆計(jì)算結(jié)果

箱梁抗傾覆安全系數(shù)為

式中：--成橋狀態(tài)恒載作用下支座反力。

--支座距傾覆軸的垂直距離。

μ--沖擊系數(shù)。

--傾覆軸線與橫向加載車道圍成的面積。

35.5--將汽超-20車輛荷載換算成車道均布荷載。

--荷載組合作用下各支座反力。

計(jì)算采用橋梁專用空間有限元分析軟件midas Civil2014，精確模擬橋梁結(jié)構(gòu)尺寸、支座位置、預(yù)應(yīng)力設(shè)置、活載布置等，計(jì)算出支反力。

表1 K值計(jì)算結(jié)果表

恒載支座反力（KN） 距傾覆軸距離（m） S（m2） μ 安全系數(shù)K 限值

3# 915 D1 4 205.8 0 4.3 1.3

4# 3990 D2 2

5# 3900 D3 2

6# 3990 D4 2

7# 915 D5 4

表2 荷載組合作用下支反力計(jì)算結(jié)果表

墩臺(tái)號(hào) 荷載組合 支座反力（KN）

最大彎矩 最小彎矩 最大剪力 最小剪力

3# 組合I 1830 1830 2890 1670

4# 3990 3990 5630 3650

5# 3900 3900 5560 3460

6# 3990 3990 5630 3650

7# 1830 1830 2890 1670

3# 組合II 1830 1830 3050 1510

4# 3990 3990 5830 3450

5# 3900 3900 5660 3370

6# 3990 3990 5830 3450

7# 1830 1830 3050 1510

3# 組合III 1830 1830 2930 1680

4# 3990 3990 5330 3680

5# 3900 3900 5280 3520

6# 3990 3990 5330 3680

7# 1830 1830 2930 1680

由表1、表2可知，該橋抗傾覆安全系數(shù)大于限值，支座未出現(xiàn)負(fù)反力狀況，所以，在設(shè)計(jì)荷載汽車-超20作用下不會(huì)出現(xiàn)傾覆失穩(wěn)。

（三）中交04系列規(guī)范設(shè)計(jì)荷載作用下抗傾覆計(jì)算

1.抗傾覆軸線的確定

2.抗傾覆計(jì)算結(jié)果

箱梁抗傾覆安全系數(shù)為

式中： e--橫向家在車道到傾覆軸線垂直距離最大值。

表3 K值計(jì)算結(jié)果表

恒載支座反力（KN） 距傾覆軸距離（m） S（m2） μ e（m） 安全系數(shù)K 限值

3# 910 D1 4 205.8 0.229 2.1 9.2 1.3

4# 3920 D2 2

5# 3870 D3 2

6# 3920 D4 2

7# 910 D5 4

表4 荷載組合作用下支反力計(jì)算結(jié)果表

墩臺(tái)號(hào) 荷載組合 支座反力（KN）

最大彎矩 最小彎矩 最大剪力 最小剪力

3# 標(biāo)準(zhǔn)組合 1820 1820 2460 1650

4# 3920 3920 4860 3510

5# 3870 3870 4830 3500

6# 3920 3920 4860 3510

7# 1820 1820 2460 1650

由表3、表4可知，該橋在公路-Ⅰ級(jí)荷載作用下不會(huì)出現(xiàn)傾覆失穩(wěn)。

（四）55T重車作用下抗傾覆計(jì)算

A、抗傾覆軸線的確定

B、抗傾覆計(jì)算結(jié)果

箱梁抗傾覆安全系數(shù)為

表5 K值計(jì)算結(jié)果表

恒載支座反力（KN） 距傾覆軸距離（m） S（m2） μ 安全系數(shù) 限值

3# 910 D1 4 205.8 0.229 3.4 1.3

4# 3920 D2 2

5# 3870 D3 2

6# 3920 D4 2

7# 910 D5 4

表6 荷載組合作用下支反力計(jì)算結(jié)果表

墩臺(tái)號(hào) 荷載組合 支座反力（KN）

最大彎矩 最小彎矩 最大剪力 最小剪力

3# 標(biāo)準(zhǔn)組合 1820 1820 2460 1650

4# 3920 3920 4770 3510

5# 3870 3870 4740 3520

6# 3920 3920 4770 3510

7# 1820 1820 2460 1650

由表5、表6可知，該橋在55T重車作用下不會(huì)出現(xiàn)傾覆失穩(wěn)。

結(jié)語：本文通過實(shí)例演示了獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆驗(yàn)算過程，該方法驗(yàn)算結(jié)果較為安全可靠，并具有較好的可操作性，實(shí)用性強(qiáng)。55t重載車隊(duì)列模擬了現(xiàn)實(shí)中重載車密集偏載于同一側(cè)的最不利工況，具有良好的安全性和現(xiàn)實(shí)意義。

該抗傾覆穩(wěn)定安全驗(yàn)算方法可保證在正常交通運(yùn)營狀況下橋梁不會(huì)出現(xiàn)傾覆失穩(wěn)問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S]

[2]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[S]