某高速匝道獨柱墩連續(xù)箱梁橋橫向抗傾覆穩(wěn)定性分析

李 文 杰

(廣東省公路建設(shè)有限公司， 廣東 廣州 510000)

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某高速匝道獨柱墩連續(xù)箱梁橋橫向抗傾覆穩(wěn)定性分析

李 文 杰

(廣東省公路建設(shè)有限公司， 廣東 廣州 510000)

針對獨柱墩連續(xù)箱梁橋在汽車超載或偏載作用下橫向易失穩(wěn)的問題，總結(jié)了橫向失穩(wěn)坍塌的過程，分析了其失穩(wěn)機理，然后闡述了獨柱墩橋橫向失穩(wěn)的判別準(zhǔn)則和計算方法，并對某高速匝道獨柱墩連續(xù)箱梁橋進行分析，驗算了其橫向傾覆安全系數(shù)、支座脫空和支座轉(zhuǎn)角，驗算結(jié)果表明其橫向傾覆穩(wěn)定性滿足安全運營的要求。

獨柱墩連續(xù)箱梁；汽車超載；橫向失穩(wěn)；高速公路

獨柱墩連續(xù)箱梁橋以其造型美觀、結(jié)構(gòu)輕巧、占用土地少和橋下行車視野開闊等獨特優(yōu)勢在高速公路互通立交匝道橋和城市立交橋中得到廣泛應(yīng)用，但是近年來發(fā)生了多次因超載引起的橋梁橫向傾覆垮塌事故，造成了巨大的人民群眾生命財產(chǎn)損失，對獨柱墩橋的應(yīng)用在以下兩方面引起了橋梁建設(shè)者的反思和重視，一方面必須摒棄設(shè)計時重視強度驗算而忽視橫向穩(wěn)定性驗算的傳統(tǒng)做法，另一方面，對于已建成橋梁則需要在綜合考慮遠景交通量和偏載情況下進行橫向傾覆穩(wěn)定性驗算，對于存在風(fēng)險的必須進行加固，以確保其正常使用和安全。

1　橋梁橫向失穩(wěn)過程

橋梁橫向失穩(wěn)的過程一般來說首先是超載偏載作用于梁體一側(cè)，引起梁體扭轉(zhuǎn)，梁體變形導(dǎo)致偏載另一側(cè)聯(lián)端支座轉(zhuǎn)角逐漸增大，隨著荷載增加，其支座反力迅速降低直至出現(xiàn)負(fù)反力，脫離正常受壓狀態(tài)，此時支座失效或脫空而失去其支撐梁體作用，其他支座則發(fā)生支座反力重新分布，支反力重新分布過程中可能會發(fā)生支座超出其設(shè)計強度的破壞或是發(fā)生因支座轉(zhuǎn)角過大而發(fā)生的梁體滑移，支座依次失效或脫空，當(dāng)剩余支座位于一條直線時，此時支撐體系已不能有效約束上部結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)在超載作用下橫向失穩(wěn)垮塌，立柱則在垮塌梁體的巨大水平推力作用下發(fā)生破壞。如偏載超出了立柱的偏心受壓承載能力，還會出現(xiàn)立柱先破壞，進而引起上部結(jié)構(gòu)傾覆的可能性[1-6]。

支座脫空可以認(rèn)為是橫向傾覆過程的開始，剩余未脫空支座位于一條直線時則可以認(rèn)為是橫向失穩(wěn)的臨界狀態(tài)。由此過程可以看出，橋梁橫向失穩(wěn)的破壞形式是上部結(jié)構(gòu)作為剛性整體失去靜力平衡，并不是混凝土或鋼筋受力超過其極限強度的材料破壞形態(tài)。

2　橋梁橫向失穩(wěn)判斷準(zhǔn)則和計算方法

目前已頒布實施的公路橋梁設(shè)計規(guī)范對橋梁橫向穩(wěn)定性規(guī)定尚不完善，在此按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(總校稿) (下文簡稱《總校稿》)相關(guān)條文規(guī)定進行驗算?！犊傂８濉?規(guī)定：橫橋向傾覆安全系數(shù)應(yīng)大于等于2.5，且在作用基本組合下單向受壓支座要始終保持受壓狀態(tài)?！犊傂８濉分袑M橋向傾覆安全系數(shù)定義如下：

(1)

其中∑Sbk,i和∑Ssk,i分別是上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定或失穩(wěn)的作用標(biāo)準(zhǔn)組合的效應(yīng)設(shè)計值。

由于支座具有一定體積，橫向失穩(wěn)過程中，支座與箱梁的接觸點會由支座中心向邊緣移動，也就是說傾覆軸會向外側(cè)移動，當(dāng)傾覆軸線移動到支座邊緣時，箱梁橫向失穩(wěn)?？梢钥闯觯Х€(wěn)過程有典型的非線性特征。為計算橫向傾覆安全系數(shù)，首先假定如下：

(1) 橋梁的上下部結(jié)構(gòu)有足夠強度和剛度，不會發(fā)生立柱壓彎等因材料受力超出其極限狀態(tài)而破壞的其他破壞形態(tài)。

(2) 支座為只受壓點支座。對于某一確定的橋梁來說，其抗傾覆能力是確定值，確定傾覆軸后，如成橋狀態(tài)下一期和二期恒載對傾覆軸的穩(wěn)定力矩為M0，驗算活載對傾覆軸產(chǎn)生的傾覆力矩是Mq，則橫橋向傾覆安全系數(shù)可以表示為公式(2)

(2)

式中M0可以通過建立實橋有限元模型計算出各支座反力后進而得出；采用公路-Ⅰ級荷載，則公式(2)則可以表示為式(3)和式(4)：

(3)

(4)

其中Ω是傾覆軸線與橫向加載車道圍成的面積；E是橫向加載車道到傾覆軸線垂直距離的最大值；qk是車道荷載中均布荷載；Pk是車道荷載中集中荷載；l是橋長；e是橫向最不利車道位置到傾覆軸線的垂直距離；μ是沖擊系數(shù)，取值0.30；RGi是成橋狀態(tài)時各個支座的支反力；xi是各個支座到傾覆軸線的垂直距離。

由上可知，計算橫向傾覆安全系數(shù)首先需要選取最不利傾覆軸，它的選擇直接影響力矩的計算結(jié)果。一般來說，直線橋和曲率半徑很大的彎橋的傾覆軸為端部同側(cè)支座的連線，隨著曲率半徑變小，彎橋的傾覆軸會出現(xiàn)某一端部支座和某一獨柱墩支座連線、相鄰獨柱墩支座連線等多種情況，需要通過試算來確定最不利傾覆軸性[7-13]。

另外，因為支座脫空是橫向傾覆過程的開始，為防止結(jié)構(gòu)體系進入結(jié)構(gòu)傾覆初始狀態(tài)，則要求單向受壓支座始終處于受壓狀態(tài)，不能出現(xiàn)負(fù)反力，即

fi≥0

(5)

同時，為保證支座正常工作，支座轉(zhuǎn)角不能超過相關(guān)規(guī)范規(guī)定的支座轉(zhuǎn)角限值，即

θi≥θmax

(6)

按照相關(guān)規(guī)范規(guī)定，對于盆式橡膠支座θmax=0.02rad，對于球形支座，θmax按不同規(guī)格分別取值0.02rad、0.03rad、0.04rad、0.05rad。

3　實橋計算

建立MIDAS有限元模型進行計算分析，支座頂部與橋墩頂部按照一般支撐模擬，支座本身采用彈性支承模擬，支座頂部與主梁采用彈性支撐模擬，混凝土重度取26 kN/m3，鋼材重度取78.5 kN/m3，瀝青混凝土橋面鋪裝重度取24 kN/m3，水泥混凝土橋面鋪裝重度取26 kN/m。

3.1橫向傾覆安全系數(shù)驗算

圖1是支座的布置圖，可以看出，跨中橋墩支座全部位于聯(lián)端外側(cè)支座連線的外側(cè)，則傾覆軸線如圖中所示為聯(lián)端外側(cè)支座連線。

圖1支座布置和傾覆軸線圖

按照公式(1)計算橫向傾覆安全系數(shù)。從圖1中可以讀出Ω、e和xi等數(shù)據(jù)；活載作用在箱梁懸臂板上，按規(guī)范取值μ=0.30；按規(guī)范取值qk=10.5 kN/m；跨徑28 m，按規(guī)范內(nèi)差計算得Pk=272 kN；RGi通過MIDAS有限元模型計算得出。上述數(shù)據(jù)在表1、表2中列出。

表1　抗力Sbk計算表

表2　傾覆力Ssk計算區(qū)

3.2支座脫空和支座轉(zhuǎn)角驗算

利用有限元模型計算支座反力和支座轉(zhuǎn)角。

引起梁體橫向坍塌的直接原因是超載和偏載，為充分考慮其影響，計算時汽車荷載偏安全的取以下兩個工況：

工況1：按規(guī)范規(guī)定，橫橋向布置2個車道，但是車輛荷載布置于傾覆軸側(cè)。

工況2：橫橋向布置一個車道，布置于傾覆軸側(cè)，將汽車荷載效應(yīng)分項系數(shù)提高為3.4。

計算工況1和2下支座反力，計算工況2下的支座轉(zhuǎn)角，計算計算結(jié)果分別見圖2～圖4。

圖2　工況1支反力計算結(jié)果

圖3　工況2支反力計算結(jié)果

圖4工況2支座轉(zhuǎn)角計算結(jié)果

由圖1和圖2可知，在兩種活載工況下，最小支反力均是出現(xiàn)在聯(lián)端支座，最大支反力均是發(fā)生在獨柱墩支座。工況1聯(lián)端左側(cè)兩支座支反力分別是625.9 kN和644.2 kN，獨柱墩支座反力是6 408.1 kN；工況2聯(lián)端左側(cè)兩支座支反力分別是92.6 kN和296.7 kN，獨柱墩支反力是6 354.5 kN，都沒有出現(xiàn)負(fù)反力，支座未脫空。

由圖3可知，中間獨柱墩支座是盆式支座，θmax=0.02 rad，其最大轉(zhuǎn)角<0.02 rad，支座未失效。

4　結(jié)　論

(1) 橫向傾覆過程開始于支座脫空，剩余未脫空支座位于一條直線時是失穩(wěn)臨界狀態(tài)。它的破壞形式是上部結(jié)構(gòu)作為剛性整體失去靜力平衡，并不是混凝土或鋼筋受力超過其極限強度的材料破壞形態(tài)；

(2) 通過建立有限元模型，對H匝道大橋第八聯(lián)在相關(guān)工況下橫向失穩(wěn)系數(shù)、支座脫空和支座轉(zhuǎn)角計算得出，該橋抗傾覆能力滿足安全運營要求，不需要加固。

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Analysis on the Horizontal Stability of a Single Column Pier Continuous Box Girder Bridge on an Expressway

LI Wenjie

(GuangdongProvincialHighwayConstructionCo.Ltd,Guangzhou,Guangdong510000,China)

Focusing on the problem of horizontal stability of single column pier continuous box girder bridge subjected to vehicle overloading or eccentric loadings, the whole process of horizontal instability was summarized and the instability mechanism was analyzed. And then the screening criteria and the computing method was expounded. Integrating with a single column pier continuous box girder bridge on certain expressway, the lateral sensitivity stability coefficient and bearing separation and bearing angle was calculated, the check calculation shows that the horizontal stability can meet the bridge safety operation.

single column pier continuous box girder bridge; vehicle overloading; horizontal stability; expressway

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.044

2016-03-20

2016-05-18

李文杰(1983—)，男，山東濱州人，碩士，工程師，主要從事高速公路建設(shè)和運營管理工作。 E-mail：442113935@qq.com

U45

A

1672—1144(2016)04—0226—04