曲率半徑對獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁橋穩(wěn)定性的影響分析

楊慶嶸，張 玥

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

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曲率半徑對獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁橋穩(wěn)定性的影響分析

楊慶嶸，張 玥

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

文章以公路橋梁通用圖(20+32+20)m連續(xù)箱梁為工程背景，通過Midas軟件計(jì)算出獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁橋支反力與抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，并根據(jù)支座反力及抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)分析曲率半徑對彎梁橋穩(wěn)定性的影響，得到了橋梁抗傾覆穩(wěn)定性隨曲率半徑的變化規(guī)律，為此類獨(dú)柱墩橋梁設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

獨(dú)柱墩；曲率半徑；抗傾覆穩(wěn)定；Midas

0 引言

在城市高架橋、立交橋以及高速公路的匝道橋建設(shè)中，獨(dú)柱式橋墩連續(xù)梁橋由于具有結(jié)構(gòu)輕巧、橋下通透性好、視野開闊、易適應(yīng)地形、下部工程量小等優(yōu)點(diǎn)在橋梁工程中被廣泛采用。但是由于獨(dú)柱墩在橫橋向采用單支點(diǎn)支撐，在汽車偏載作用下，對結(jié)構(gòu)的橫向抗傾覆穩(wěn)定非常不利[1]。所以驗(yàn)證該型橋梁支反力及橫向抗傾覆穩(wěn)定性對保證設(shè)計(jì)合理性及工程質(zhì)量具有重大意義。

1 計(jì)算模型

本文以公路橋梁通用圖(20+32+20)m連續(xù)箱梁為工程背景，借助Midas/Civil有限元分析軟件，分析計(jì)算了不同曲率半徑連續(xù)箱梁在不同荷載工況下的橋梁支反力及橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，探討其橫向抗傾覆穩(wěn)定性能的變化規(guī)律，并對實(shí)際工程提出合理的影響參數(shù)建議[2]。

設(shè)計(jì)橋?qū)挒?2 m，荷載等級為公路-Ⅱ級，設(shè)計(jì)行車道數(shù)為3個(gè)，橋墩為獨(dú)柱墩，其上支座為單支座，橋臺為雙支座，支座間距為6.5 m，計(jì)算程序運(yùn)用Midas/Civil 2015建立橋梁梁格模型。橋梁支座布置形式及跨中截面如圖1～2所示。

圖1 橋梁支座布置形式圖

圖2 跨中截面圖

2 計(jì)算規(guī)范及荷載

現(xiàn)行的公路橋梁規(guī)范對抗傾覆穩(wěn)定性的計(jì)算有禁止支座脫空的規(guī)定，同時(shí)要求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。規(guī)定彎橋上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)γaf應(yīng)滿足式(1)要求[3]：

(1)

式中：γaf——抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；

Sak——汽車載荷(含沖擊作用)標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的傾覆力矩；

Ssk——成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)恒載產(chǎn)生的抗傾覆力矩。

為了有足夠的安全儲備，在相關(guān)規(guī)范中規(guī)定最小抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為2.5，在實(shí)際過程中穩(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)。

本文以式(1)為計(jì)算原則對該橋梁進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性分析，計(jì)算荷載包括恒載、活載、基礎(chǔ)不均勻沉降。其中汽車荷載以最外側(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：現(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范JTGD60-2004》中公路-Ⅰ級汽車荷載；工況二：1.3倍公路-Ⅰ級汽車荷載；工況三：《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》規(guī)定3輛55t重車組成的密集排列車隊(duì)(前后車輛間距1m)[4]。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 不同曲率半徑下支座反力的變化情況

本文運(yùn)用Midas/Civil軟件計(jì)算橋梁分別在曲率半徑為50m、100m、150m、157.5m、165m、200m、300m、500m、800m下的支座反力，比較其在三種工況下的最小支座反力。通過計(jì)算得知在工況三作用下其支座反力最小，故列出其計(jì)算結(jié)果。具體如表1所示：

表1 工況三下的最小支座反力表(kN)

從表1中可以看出：橋臺內(nèi)側(cè)支座與其它支座相比更易出現(xiàn)負(fù)反力，這是由于受平面曲率的影響。對曲線梁而言，梁體外側(cè)邊的弧長大于內(nèi)側(cè)邊弧長，因而梁體的重心與截面的形心軸不重合，而是向形心軸的外側(cè)偏移一定的距離，使外梁超載，內(nèi)梁卸載[5]。

在相同曲率半徑下，5號支座反力要小于2號支座反力，表明最先出現(xiàn)負(fù)反力導(dǎo)致支座產(chǎn)生脫空現(xiàn)象的為汽車進(jìn)入曲線橋時(shí)另一側(cè)橋臺內(nèi)側(cè)5號支座。同時(shí)，隨著曲率半徑的逐漸增大，橋臺內(nèi)側(cè)支座支座反力也逐漸增大，但橋臺外側(cè)支座支座反力逐漸減小。表明增大曲率半徑可以使支座反力分布均勻，有降低支座脫空的可能性。橋臺內(nèi)側(cè)5號支座在三種工況下的最小支座反力變化曲線如圖3所示：

圖3 5號支座最小支座反力變化曲線圖

從圖3中可以看出：當(dāng)曲率半徑<300m時(shí)，半徑對支座反力的影響很明顯；而半徑>300m時(shí)，半徑對支座負(fù)反力的影響在減小。同時(shí)在工況三作用下的橋臺內(nèi)側(cè)支座與其它工況下相比更易脫空。3.2 不同曲率半徑下抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的變化情況根據(jù)規(guī)范規(guī)定進(jìn)行橋梁上部結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算，在三種工況下的計(jì)算結(jié)果列于表2所示：

表2 橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)表

從表2中可以看出：在相同曲率半徑中，工況三的穩(wěn)定系數(shù)要小于其他工況。表明在這種情況下更易發(fā)生橋梁傾覆。在曲率半徑為157.5m時(shí)，其抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為0.93，說明此時(shí)橋梁已傾覆，而在其它曲率半徑下雖然支座出現(xiàn)負(fù)反力，但橋梁并未發(fā)生傾覆。同時(shí)，在相同工況下曲率半徑在157.5m處抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到最小，其變化曲線如圖4所示：

圖4 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)變化曲線圖

從圖4中可以看出：隨著曲率半徑的逐漸增大，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)先減小后增大，當(dāng)曲率半徑為157.5m時(shí)其值達(dá)到最小值。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因如下：

(1)當(dāng)曲率半徑<157.5m時(shí)，傾覆軸線為1、3支座連線，此時(shí)支座到傾覆軸線的距離隨半徑的增大而減小，使得支座反力提供的抗傾覆力矩減小，而傾覆軸線與橫向加載車道圍城的面積卻逐漸增大，從而傾覆力矩增大，所以導(dǎo)致穩(wěn)定系數(shù)隨半徑的增大逐漸減小；

(2)當(dāng)曲率半徑=157.5m時(shí)，傾覆軸線為支座1、3、4、6所在直線(此時(shí)橋臺外側(cè)支座連線與橋墩支座連線共線)，抗傾覆力矩達(dá)到最小，傾覆力矩達(dá)到最大，因而此時(shí)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)最小；

(3)當(dāng)曲率半徑>175.5m時(shí)，情況與之前相反，此時(shí)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨曲率半徑增大而增大。

4 結(jié)語

本文通過對橋梁在不同曲率半徑下最小支座反力的分析及抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算得到如下結(jié)論：

(1)最先出現(xiàn)負(fù)反力導(dǎo)致支座脫空現(xiàn)象的支座為汽車進(jìn)入曲線橋時(shí)另一側(cè)橋臺內(nèi)側(cè)支座，同時(shí)支座脫空不能表明橋梁會發(fā)生傾覆，但橋梁傾覆開始于支座的逐次脫空。

(2)本橋在橋臺外側(cè)支座與橋墩支座共線時(shí)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到最小，此時(shí)橋梁最易發(fā)生傾覆。當(dāng)曲率半徑<157.5m時(shí)，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨曲率半徑的增大而減??；在曲率半徑>157.5m時(shí)，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨曲率半徑的增大而增大。在曲率半徑<300m時(shí)支座反力的大小對曲率半徑的變化很敏感。

(3)增大曲率半徑可以使支座反力分布均勻，降低支座脫空的可能性。

(4)該橋僅在3輛55t重車組成的車隊(duì)(前后車輛相距1m)作用時(shí)支座出現(xiàn)負(fù)反力，因此密集排列車隊(duì)對橋梁穩(wěn)定性很不利。所以在橋梁實(shí)際使用過程中應(yīng)進(jìn)行限載和禁止重車在外側(cè)行駛，以保證橋梁安全。

[1]黃國勇，蘭長青.墩梁固結(jié)獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆分析及加固設(shè)計(jì)方法[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2011(12)： 42-45.

[2]祁志偉.城市連續(xù)箱梁橋橫向抗傾覆穩(wěn)定性分析[D].長沙：中南大學(xué)，2013.

[3]彭衛(wèi)兵，徐文濤，陳光軍，等.獨(dú)柱墩梁橋抗傾覆承載力計(jì)算方法[J].中國公路學(xué)報(bào)，2015(3)：26-29.

[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.

[5]陳鐵冰.混凝土曲線梁橋裂縫成因分析及相應(yīng)對策[J].建筑管理現(xiàn)代化，2006(3)：43-47.

Analysis on the Impact of Curvature Radius on the Stability of Single-Pile Pier Continuous Girder Bridge

YANG Qing-rong，ZHANG Yue

(Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou，Inner Mongolia，014010)

With Highway Bridge General Atlas(20+32+20)m continuous box girder as engineering background，this article calculated by Midas software the reaction forces and anti-overturning stability factor of single-pile pier continuous box girder bridge，analyzed the impact of curvature radius on the stability of curved girder bridge according to support reaction forces and anti-overturning stability factors，then obtained the variation rules of bridge anti-overturning stability with the curvature，radius，thereby providing the technical reference for the design of such single-pile pier bridges.

Single-pile pier；Curvature radius；Anti-overturning stability；Midas

U448.21+

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.10.012

1673-4874(2016)10-0043-03

2016-09-05

楊慶嶸(1990—)，研究方向:橋梁工程；

張 玥(1967—)，副教授，研究方向：橋梁工程。