獨(dú)柱墩梁橋抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算汽車荷載研究

趙俊程，禹智濤，劉銘煒

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006）

獨(dú)柱墩梁橋抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算汽車荷載研究

趙俊程，禹智濤，劉銘煒

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006）

為了徹查廣東省高速公路既有獨(dú)柱墩梁橋抗傾覆穩(wěn)定性問題，為新建獨(dú)柱墩橋梁提供設(shè)計(jì)依據(jù)，對(duì)該類橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算汽車荷載進(jìn)行研究。根據(jù)廣東省交通集團(tuán)貨車調(diào)查分析成果，虎門二橋荷載統(tǒng)計(jì)報(bào)告，同濟(jì)大學(xué)對(duì)上海市車輛荷載研究成果，得出廣東省現(xiàn)狀汽車荷載模式。通過實(shí)例有限元分析對(duì)比，得出《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTD D60－2015）中規(guī)定的汽車荷載在驗(yàn)算該類橋梁傾覆時(shí)，偏不安全，且隨著聯(lián)長(zhǎng)的增長(zhǎng)，安全度降低。發(fā)現(xiàn)該類橋梁的汽車荷載產(chǎn)生的傾覆效應(yīng)與其荷載總量有近似比例關(guān)系，與其荷載模式關(guān)系不大，并提出以公路-1級(jí)汽車荷載乘以3.4倍的分項(xiàng)系數(shù)為驗(yàn)算汽車荷載。

獨(dú)柱墩梁橋；傾覆效應(yīng)；抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算；汽車荷載；車道荷載；車輛荷載

0 引言

近年來，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了多起獨(dú)柱墩梁橋傾覆事故，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。事故發(fā)生后，往往伴隨著媒體、大眾對(duì)橋梁生產(chǎn)者和管理者的質(zhì)疑和聲討，造成了及其惡劣的社會(huì)影響。橋梁設(shè)計(jì)者普遍認(rèn)為在以后的設(shè)計(jì)中盡量避免采用獨(dú)柱支撐梁橋，但是獨(dú)柱墩梁橋具有結(jié)構(gòu)輕巧、簡(jiǎn)潔流暢、造型美觀，橋下通透性好、視野開闊，占地量小，下部工程量小，施工方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其在受到地形、地物限制的情況下，往往成了唯一選擇的橋型[1]。為了嚴(yán)防此類事件再次發(fā)生和對(duì)既有橋梁抗傾覆穩(wěn)定性評(píng)估，廣大科研工作者需要對(duì)獨(dú)柱墩梁橋的抗傾覆穩(wěn)定性作系統(tǒng)全面的研究，找出事故發(fā)生的機(jī)理和預(yù)防措施。

綜觀近年來已發(fā)生的橋梁傾覆事故，超載是最重要的原因之一[2]。目前雖然已實(shí)行計(jì)重收費(fèi)，但并未能全面禁止超載車輛通行。少數(shù)橋梁雖能滿足《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》JTGD62-2012（征求意見稿）的條文規(guī)定，但仍發(fā)生了傾覆事故，為保障橋梁安全運(yùn)行，統(tǒng)一驗(yàn)算要求，本文總結(jié)了廣東省交通集團(tuán)貨車調(diào)查分析成果，虎門二橋荷載統(tǒng)計(jì)報(bào)告，同濟(jì)大學(xué)對(duì)上海市車輛荷載研究成果，通過實(shí)例有限元分析對(duì)比，得出《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTD D60－2015）中規(guī)定的汽車荷載在驗(yàn)算橋梁傾覆時(shí)的局限性，并提出適用于驗(yàn)算該類橋梁傾覆的汽車荷載模式。

1 國(guó)內(nèi)部分省市現(xiàn)狀車輛荷載調(diào)查

1.1 廣東省交通集團(tuán)貨車調(diào)查分析[3]

廣東省內(nèi)高速日均重車統(tǒng)計(jì)，見表1。

表1 廣東省內(nèi)高速日均重車統(tǒng)計(jì)表

調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，全計(jì)重收費(fèi)后，重車比例下降較多，但數(shù)量仍不可忽視。可見，若采用公路1級(jí)進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，難以考慮120 t重車的影響，可能得出偏不安全的結(jié)果。因此抗傾覆驗(yàn)算時(shí)，需對(duì)荷載模式進(jìn)行研究

1.2 虎門二橋荷載統(tǒng)計(jì)報(bào)告結(jié)果

通過對(duì)四個(gè)調(diào)查點(diǎn)的實(shí)時(shí)車輛荷載數(shù)據(jù)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析，得出了95%保證率的車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)模型，并結(jié)合項(xiàng)目所在區(qū)域的采集到的最大重車，建立了虎門二橋現(xiàn)狀汽車荷載模型車道荷載、車隊(duì)荷載和車輛荷載分別見圖1～圖3[4]。

圖1 現(xiàn)狀車道荷載

圖2 現(xiàn)狀車隊(duì)荷載

圖3 現(xiàn)狀車輛荷載

根據(jù)現(xiàn)狀汽車荷載，得出設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)建議值[5]，見表2。

表2 荷載標(biāo)準(zhǔn)建議值

對(duì)于聯(lián)長(zhǎng)75 m左右中小跨徑橋梁，折算均布荷載值約為27.5 kN/m（一輛重車3輛標(biāo)準(zhǔn)車）[6]。相當(dāng)于規(guī)范公路Ⅰ級(jí)車道荷載的2.5倍。

1.3 同濟(jì)大學(xué)對(duì)上海市車輛荷載研究成果

上海繞城高速車輛荷載模型，見圖4。

圖4 現(xiàn)狀車輛荷載

當(dāng)跨徑小于5 m時(shí)，Pk=600 kN，跨徑大于50 m時(shí)Pk=1200kN,橋梁計(jì)算跨徑在5～50 m之間時(shí)Pk按照直線內(nèi)插求得。相當(dāng)于規(guī)范公路Ⅰ級(jí)車道荷載的3.4倍。

2.4 近年來國(guó)內(nèi)傾覆事故發(fā)生時(shí)橋上汽車荷載統(tǒng)計(jì)

國(guó)內(nèi)傾覆事故荷載統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 國(guó)內(nèi)傾覆事故荷載統(tǒng)計(jì)

由上述事故荷載可見，事故車輛單車重一般在1 200 kN左右，且事故車輛密集排列。若按標(biāo)準(zhǔn)車重 1 200 kN，軸重 F1=52 kN,F2=209 kN, F3=243 kN。排列方式，見圖5。

圖5 重車車隊(duì)荷載

車輛長(zhǎng)16.5 m,凈間距8 m。對(duì)于中小跨徑橋梁，一列重車車隊(duì)荷載相當(dāng)于15公路橋梁規(guī)范車道荷載的3～4倍。

2 驗(yàn)算汽車荷載與規(guī)范汽車荷載的傾覆效應(yīng)對(duì)比分析

2.1 三種汽車荷載定義

（1）公路89規(guī)范汽車－超20級(jí)荷載[7]。該汽車荷載以汽車車隊(duì)表示，縱向布置見圖6，車輪橫向間距為1.8 m，考慮沖擊系數(shù)。

圖6 公路89規(guī)范汽車-超20級(jí)荷載

（2）公路15規(guī)范的公路－Ⅰ級(jí)車道荷載[8]。該汽車荷載由均布荷載qk和集中荷載Pk組成見圖7，其中均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qk=10.5 kN/m，集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值按以下規(guī)定選?。簶蛄河?jì)算跨徑不大于5 m時(shí)，Pk=270 kN；橋梁計(jì)算跨徑不小于50 m時(shí)，Pk=360 kN；橋梁計(jì)算跨徑在5～50 m時(shí)，Pk值采用線性內(nèi)插求得，集中荷載、均布荷載均考慮沖擊系數(shù)。

圖7 公路15規(guī)范公路-Ⅰ級(jí)車道荷載

（3）參考第3節(jié)資料分析，廣東省現(xiàn)狀車輛荷載相當(dāng)于規(guī)范公路Ⅰ級(jí)車道荷載的3～4倍，建議公路獨(dú)柱墩梁橋抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算汽車荷載取3.4倍的公路-1級(jí)車道荷載（以下簡(jiǎn)稱驗(yàn)算汽車荷載）[9]。

2.2 三種汽車荷載引起的橋梁傾覆效應(yīng)

根據(jù)對(duì)廣東省內(nèi)450聯(lián)獨(dú)柱墩梁橋的調(diào)查統(tǒng)計(jì)[3]，取4個(gè)具有代表性的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行傾覆效應(yīng)分析。模型1:20 m+25 m+20 m直線橋；模型2：20 m+25 m+20 m曲線橋（曲線半徑r=210 m）；模型3：25 m+35 m+35 m+25 m直線橋；模型4：25 m+35 m+3 5m+25 m曲線橋（曲線半徑r=210 m）4座模型橋梁均寬10 m，邊支撐間距為5 m，中支撐均采用盆式橡膠支座。

經(jīng)分析實(shí)際發(fā)生的獨(dú)柱墩橋梁傾覆事故的破壞過程，其表現(xiàn)為在偏心荷載作用下，主梁扭轉(zhuǎn)變形，邊墩支座脫空，然后出現(xiàn)中墩支座轉(zhuǎn)角超限，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大變形，中墩出現(xiàn)較大的橫向水平推力，并隨著轉(zhuǎn)角加大而增大，最達(dá)到極限強(qiáng)度，橋墩強(qiáng)度破壞，上部結(jié)構(gòu)失去支撐而塌落[10]。取使邊墩支座失效時(shí)對(duì)應(yīng)的汽車荷載最不利布置形式，為最不利工況[11]。該工況時(shí)各規(guī)范汽車荷載和驗(yàn)算汽車荷載情況見圖8。確定各橋墩處失效支座的可變作用支反力對(duì)該橋墩有效支座中心的力矩之和為各汽車荷載傾覆效應(yīng)的比較項(xiàng)目。最不利工況下各汽車荷載產(chǎn)生的梁端傾覆力矩情況見圖9。

由圖8、圖9可知：（1）公路89規(guī)范和公路15規(guī)范的汽車荷載加載總量相當(dāng)，對(duì)于65 m的小跨徑獨(dú)柱墩橋梁，公路89規(guī)范荷載總量要大于公路15規(guī)范的荷載總量，對(duì)于120 m的大跨徑獨(dú)柱墩橋梁則反之。（2）相同聯(lián)長(zhǎng)的獨(dú)柱墩梁橋，直線橋抗傾覆穩(wěn)定性較曲線橋差。（3）對(duì)比圖8（b）、圖9（b）可知，以公路15規(guī)范為基準(zhǔn)，獨(dú)柱墩梁橋傾覆效應(yīng)與作用汽車荷載總量成正比例關(guān)系。與荷載作用模式關(guān)系不大。

圖8 最不利工況時(shí)各汽車荷載情況

圖9 最不利工況時(shí)各梁端傾覆力矩情況

3 結(jié)論

本文結(jié)合相關(guān)單位對(duì)現(xiàn)狀車輛荷載的研究成果，選取廣東省內(nèi)具有代表性的4個(gè)座預(yù)應(yīng)力混凝土獨(dú)柱墩橋梁進(jìn)行傾覆效應(yīng)分析。得出以下結(jié)論及建議：

（1）目前廣東省內(nèi)高速公路上的汽車荷載普遍大于公路15規(guī)范規(guī)定的公路-1級(jí)車道荷載，其荷載總量相當(dāng)于公路-1級(jí)車道荷載總量的3～4倍。

（2）用公路-1級(jí)車道荷載驗(yàn)算公路獨(dú)柱墩梁橋的抗傾覆穩(wěn)定性，安全度不足。

（3）建議在驗(yàn)算公路獨(dú)柱墩梁橋抗傾覆穩(wěn)定性時(shí)，用公路-1級(jí)車道荷載乘以3.4倍的分項(xiàng)系數(shù)。

（4）獨(dú)柱墩橋梁在使用階段應(yīng)盡可量避免最不利傾覆工況的出現(xiàn)，避免出現(xiàn)大貨車密集靠邊排隊(duì)工況，橋面養(yǎng)護(hù)維修時(shí)需控制好堆載及施工車輛的靠邊停放。養(yǎng)護(hù)維修項(xiàng)目有可能影響結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定時(shí)，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算，制定相應(yīng)的維修組織方案與應(yīng)對(duì)措施[12]。

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U441+.2

B

1009-7716（2017）04-0205-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.060

2017-02-08

趙俊程（1990-），男，河南駐馬店人，在讀研究生，從事土木與交通工程研究工作。