獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁橋支座布置形式對(duì)穩(wěn)定性的影響

楊慶嶸　張　癑

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭　014010)

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獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁橋支座布置形式對(duì)穩(wěn)定性的影響

楊慶嶸張癑

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010)

摘要:以公路橋梁通用圖為工程背景，通過(guò)midas計(jì)算出了獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁橋支座反力，并計(jì)算了抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)支座反力及抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，分析了支座布置形式對(duì)連續(xù)箱梁橋穩(wěn)定性的影響，得到了橋梁抗傾覆穩(wěn)定性隨支座布置形式的變化規(guī)律。關(guān)鍵詞:連續(xù)箱梁橋，獨(dú)柱墩，抗傾覆穩(wěn)定，midas

獨(dú)柱墩橋梁由于橋下空間大、整體美觀、易適應(yīng)地形，因而被廣泛的用于城市立交橋、高速公路匝道橋上。但由于獨(dú)柱墩墩頂較窄，使得墩頂支座橫向間距很小，甚至只能采用單支座支承，這種結(jié)構(gòu)在密集車輛偏載作用下，對(duì)傾覆穩(wěn)定性非常不利。本文以公路橋梁通用圖20 m+32 m+20 m連續(xù)箱梁橋［1］為例，借助midas civil有限元分析軟件，分析計(jì)算不同支座布置形式連續(xù)箱梁在不同荷載工況下的橋梁支座反力及其抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，探討其抗傾覆穩(wěn)定性的變化規(guī)律，并對(duì)實(shí)際工程提出合理的建議。

1　計(jì)算模型

計(jì)算橋梁橋?qū)?2 m，設(shè)計(jì)行車道數(shù)為3個(gè)，橋墩為獨(dú)柱墩形式，其上支座為單支座，橋臺(tái)支座為雙支座，支座間距為6．5 m，橋梁支座布置形式及跨中截面如圖1，圖2所示。計(jì)算程序運(yùn)用midas civil 2015建立橋梁梁格模型。

圖1　橋梁支座布置形式

圖2　跨中截面

2　計(jì)算規(guī)范及荷載

現(xiàn)行的公路橋涵規(guī)范對(duì)抗傾覆穩(wěn)定性的規(guī)定有禁止支座脫空的條款［2］，同時(shí)也規(guī)定采用整體式斷面的中小跨徑梁橋應(yīng)進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算［3］。規(guī)定彎橋上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)滿足下式要求:

其中，γqf為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù);RGi為成橋狀態(tài)各個(gè)支座的支反力;xi為各個(gè)支座到傾覆軸線的垂直距離;μ為沖擊系數(shù);qk為車道荷載中集中荷載;Ω為傾覆軸線與橫向加載車道圍成的面積; Pk為車道荷載中集中荷載;e為橫向加載車道到傾覆軸線垂直距離的最大值。在規(guī)范中為了有足夠的安全儲(chǔ)備規(guī)定最小抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為2．5，在實(shí)際過(guò)程中穩(wěn)定力矩等于抗傾覆穩(wěn)定力矩(抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為1)時(shí)為橋梁傾覆的臨界狀態(tài)。本文以上式為計(jì)算原則，計(jì)算荷載包括恒載、活載以及5 mm基礎(chǔ)不均勻沉降，汽車荷載以最外側(cè)車道進(jìn)行布載，并在以下三種汽車荷載工況的基礎(chǔ)上進(jìn)行荷載組合。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;工況三:3輛55 t重車組成的密集排列車隊(duì)(前后車輛車輪間距為7．2 m)。

3　計(jì)算結(jié)果

3．1不同橋臺(tái)支座間距下的支座反力

本文選取曲率半徑分別為50 m，157．5 m，500 m條件下橋臺(tái)分別設(shè)置6．5 m，6．7 m，6．9 m，7．1 m的支座間距進(jìn)行對(duì)比分析，由于工況三作用下的支座反力與其他工況支座反力相比更加明顯，同時(shí)橋臺(tái)內(nèi)側(cè)支座會(huì)出現(xiàn)負(fù)反力情況，所以將工況三下2號(hào)、5號(hào)支座的支座反力列于表1。

表1　工況三下設(shè)置不同支座間距最小支座反力　kN

表2　工況三下設(shè)置不同支座預(yù)偏心時(shí)的最小支座反力　kN

從表1中可以看出橋臺(tái)內(nèi)側(cè)2號(hào)與5號(hào)支座最小支座負(fù)反力隨著支座間距的增大在不斷減小，表明橋臺(tái)支座間距設(shè)置越大，支座越不易發(fā)生脫空現(xiàn)象。同時(shí)我們也可以看出，支座反力值隨支座間距的變化大致成一種線性關(guān)系，表明設(shè)置較大的橋臺(tái)支座

3．2不同橋墩支座預(yù)偏心下的支座反力

設(shè)置橋墩支座外側(cè)預(yù)偏心分別為0 m，0．1 m，0．2 m進(jìn)行對(duì)比分析，在工況三下曲率半徑分別為50 m，157．5 m，500 m的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2(由于橋墩支座反力變化幅度很小故不予列出)。

從表2中可以看出在工況三作用下，橋臺(tái)內(nèi)側(cè)支座會(huì)出現(xiàn)負(fù)反力的情況，同時(shí)隨著預(yù)偏心的增大，2號(hào)、5號(hào)支座處負(fù)反力逐漸減小，1號(hào)、6號(hào)支座反力也趨于減小，可得出隨著預(yù)偏心的增大，支座反力的分布更加均勻，從而使橋臺(tái)外側(cè)支座解壓，降低支座脫空的可能性［4］。

3．3不同橋臺(tái)支座間距下的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

選取橋臺(tái)支座間距分別為6．7 m，6．9 m，7．1 m三種布置形式在三種工況下進(jìn)行橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算，其在工況三下的結(jié)果如表3所示。

表3　工況三下設(shè)置不同支座間距的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

從表3中可以看出隨著橋臺(tái)支座間距的增大，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)也是在不斷增大的，表明增大橋臺(tái)支座間距有利于主梁的整體抗傾覆穩(wěn)定性，同時(shí)隨曲率半徑的變化，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)是先減小后增大的，當(dāng)曲率半徑為157．5 m時(shí)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到最小，此時(shí)剛好橋臺(tái)外側(cè)支座連線與橋墩支座連線共線，主梁自重提供的抗傾覆穩(wěn)定力矩達(dá)到最小，因此此時(shí)是主梁抗傾覆穩(wěn)定性最不利狀態(tài)。同時(shí)可以看出在工況三下，出現(xiàn)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)小于2．5的情況，不符合規(guī)范要求。在工況三下曲率半徑為50 m設(shè)置6．7 m橋臺(tái)支座間距時(shí)的支座處已經(jīng)出現(xiàn)負(fù)反力，表明支座已經(jīng)發(fā)生脫空，但計(jì)算的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)要遠(yuǎn)大于2．5，這種情況表明僅靠支座脫空并不能判斷主梁的整體抗傾覆穩(wěn)定性，支座脫空并不能反映出主梁整體傾覆。具體抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)變化曲線如圖3所示。從圖3中可得到曲率半徑為157．5 m時(shí)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到最小，同時(shí)曲率半徑小于157．5 m時(shí)其變化曲線較陡，而曲率半徑大于157．5 m時(shí)變化曲線較緩，表明曲率半徑小于157．5 m時(shí)主梁的抗傾覆穩(wěn)定性對(duì)曲率半徑的改變敏感，而曲率半徑大于157．5 m時(shí)主梁的抗傾覆穩(wěn)定性對(duì)曲率半徑的改變較遲緩。

3．4不同橋墩支座預(yù)偏心下的抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)

在三種工況下選取橋墩支座外側(cè)預(yù)偏心分別為0 m，0．1 m，0．2 m進(jìn)行計(jì)算，其在工況三下的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

圖3　工況三下不同支座間距抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

表4　工況三下不同支座預(yù)偏心抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

從表4中可以看出隨著橋墩支座預(yù)偏心的增大抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)也相應(yīng)增大，表明適當(dāng)增加橋墩支座預(yù)偏心有助于提高橋梁的整體抗傾覆穩(wěn)定性。同時(shí)隨支座預(yù)偏心的增大主梁的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的增大幅度比較明顯，表明增大支座預(yù)偏心是一種提高主梁整體抗傾覆穩(wěn)定性的有效方法。

4　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)橋梁在不同支座布置形式下對(duì)最小支座反力及抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的分析得到如下結(jié)論:

1)僅靠支座脫空并不能判斷主梁會(huì)發(fā)生整體傾覆。2)對(duì)于三跨連續(xù)梁橋當(dāng)橋臺(tái)外側(cè)支座連線與橋墩支座連線處于共線狀態(tài)時(shí)為主梁整體抗傾覆穩(wěn)定性最不利狀態(tài)。3)在實(shí)際工程中為提高主梁的整體抗傾覆穩(wěn)定性可以通過(guò)增大支座間距和增大支座預(yù)偏心的方式來(lái)達(dá)到效果。同時(shí)增大支座間距和支座預(yù)偏心也會(huì)使主梁支座反力分布更加均勻。4)該橋在3輛55 t車輛組作用下，支座出現(xiàn)負(fù)反力，同時(shí)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)也出現(xiàn)小于2．5的情況，不滿足規(guī)范要求，因此密集排列車輛對(duì)橋梁抗傾覆穩(wěn)定性很不利。所以在橋梁使用過(guò)程中應(yīng)該進(jìn)行限載和禁止重車外側(cè)行駛，并對(duì)運(yùn)營(yíng)中的獨(dú)柱墩橋梁加強(qiáng)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)觀察。

參考文獻(xiàn):

［1］ 交通部專家委員會(huì)．公路橋涵通用圖［M］．北京:人民交通出版社，2007．

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

［3］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(討論稿)［S］．

［4］張健，肖文杰．獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性分析［J］．公路工程，2013(8):170-173．

中圖分類號(hào):U448．213

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1009-6825(2016)17-0164-02

收稿日期:2016-04-07

作者簡(jiǎn)介:楊慶嶸(1990-)，男，在讀碩士;張癑(1968-)，男，碩士，副教授間距能使支座反力分布更加均勻。

The reasearch of single column pier continuous box-girder bridge stability against overturning when set different seat form

Yang QingrongZhang Yue
(Architecture and Civil Engineering School，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China)

Abstract:Regarding Highway Bridge General Atlas as engineering background，calculated the bearing reaction of single column pier continuous box-girder bridge through program midas and further calculate anti-overturning stability coefficient，analyzed the influence of setting different seat form to the stability of continuous box-girder bridge according to the bearing reaction and the anti-overturning stability coefficient，got the change regulation of the bridge’s stability against overturning following set different seat form．

Key words:continuous box-girder bridge，single column pier，stability against overturning，midas