基于正交試驗(yàn)法的曲線連續(xù)梁橋抗傾覆穩(wěn)定性研究*

鄭小穎 王開(kāi)太 王海軍 王曉菲 李志勇 喬建迪

(1.寧波交投公路營(yíng)運(yùn)管理有限公司 寧波 315000； 2.寧波市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 寧波 315000)

隨著我國(guó)高速公路車輛大型化、重載化，橋梁的傾覆問(wèn)題也越來(lái)越引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。在公開(kāi)報(bào)道中，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)生了多起箱梁橋的傾覆事故[2-4]。

本文以高速公路上某匝道橋?yàn)槔?，通過(guò)數(shù)值模擬的方法，建立有限元計(jì)算模型，并結(jié)合正交試驗(yàn)的方法，分析曲線半徑、支座間距及橋梁縱坡對(duì)曲線梁橋抗傾覆能力的影響。

1 有限元計(jì)算分析

1.1 工程概況與有限元計(jì)算模型

某互通匝道橋第6聯(lián)為3×20 m普通鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，箱梁采用單箱雙室截面，頂板寬10.5 m，聯(lián)段主梁平面位于R=100 m的圓曲線段上。設(shè)計(jì)荷載為公路-I級(jí)。

為準(zhǔn)確計(jì)算箱梁支撐反力，進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)建模，利用midas Civil分析軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的模擬，全橋模型共劃分節(jié)點(diǎn)77個(gè)，單元68個(gè)，結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)模型

1.2 計(jì)算工況

《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》(征求意見(jiàn)稿)中明確規(guī)定，除橋梁抗傾覆系數(shù)不應(yīng)小于2.5之外，在作用標(biāo)準(zhǔn)值組合(汽車荷載考慮沖擊作用)下不應(yīng)出現(xiàn)支座脫空的情況發(fā)生。鑒于此，本文在后續(xù)研究中，主要考察以下2種活載工況。

工況一。現(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[5]中公路-Ⅰ級(jí)，本工況為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)荷載。

工況二。1.3倍公路-I級(jí)荷載，本工況為模擬一般超載情況。

1.3 計(jì)算結(jié)果

基于工程實(shí)例的標(biāo)準(zhǔn)有限元模型計(jì)算在各工況下橋梁是否存在支座脫空的情況。表1為在上述2種工況下橋梁各支座反力的最小值。

表1 支座最小支反力 kN

注：1.支座反力中正號(hào)為壓力，負(fù)號(hào)為拉力；2.支反力已計(jì)入沖擊系數(shù)； 3.各工況下支座最小反力，分別為各支座最不利狀態(tài)下的最小支座反力。

由表1可見(jiàn)，在恒載+公路-I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值組合(工況一)下，支座均未發(fā)生脫空，說(shuō)明該橋梁結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求；在恒載+1.3倍公路-I級(jí)荷載組合(工況二)下，1號(hào)墩和5號(hào)墩向心側(cè)支座均發(fā)生了脫空現(xiàn)象，說(shuō)明該橋在車輛超載的情況下，存在一定傾覆風(fēng)險(xiǎn)。

2 參數(shù)敏感性分析

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為提高參數(shù)敏感性分析的效率，本文選用正交試驗(yàn)法[6]對(duì)影響橋梁傾覆穩(wěn)定性的多個(gè)影響因素進(jìn)行分析，該方法的基本原理就是在所考慮的若干個(gè)因素和水平中，挑選出最具代表性的試驗(yàn)組合，進(jìn)而科學(xué)合理的搭配試驗(yàn),從而大大提高試驗(yàn)效率，試驗(yàn)結(jié)果更具代表性和針對(duì)性，更能全面地反映客觀結(jié)果。

本文選擇的正交試驗(yàn)因素為梁橋曲線半徑(因素A)、支座間距(因素B)與橋梁縱坡(因素C)。其中曲線半徑根據(jù)實(shí)際橋梁的應(yīng)用情況，在試驗(yàn)中取R=50，100，200 m 3個(gè)水平；支座間距在試驗(yàn)中選擇2，3和4 m 3個(gè)水平；橋梁縱坡選擇0%,2%及5% 3個(gè)水平。將上述因素水平列于表2，利用正交表L9(34)安排的正交試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表2正交設(shè)計(jì)因素水平表

表3 正交試驗(yàn)方案

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表4給出了本文正交試驗(yàn)9個(gè)模型在工況一和工況二下的最小支座反力情況，其中正值表示支座受壓，負(fù)值表示支座脫空。

表4 正交試驗(yàn)有限元分析支座反力結(jié)果 kN

由表4可見(jiàn)：①出現(xiàn)支座脫空的情況均發(fā)生于邊墩(1號(hào)墩和4號(hào)墩)，中墩均未發(fā)生脫空現(xiàn)象；②在其他條件相同的情況下，工況二產(chǎn)生的支座反力均小于工況一，可見(jiàn)，在車輛超載情況下，橋梁傾覆風(fēng)險(xiǎn)大增；③通過(guò)進(jìn)一步對(duì)比分析可知，曲線半徑越小，橋梁更易傾覆，支座間距越小，橋梁更易傾覆，橋梁縱坡越大，橋梁更易傾覆。

為進(jìn)一步分析確定曲線半徑、支座間距及橋梁縱坡對(duì)橋梁抗傾覆能力的影響程度。分別對(duì)邊墩和中墩支座的最小支座反力進(jìn)行了列表分析，見(jiàn)表5和表6。

表5 邊墩支座反力 kN

表5中，R為每一列的極差，反映該列因素水平波動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果的變動(dòng)幅度。R越大，說(shuō)明該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越大。由表5中可知：R(支座間距)>R(曲線半徑)>R(橋梁縱坡)，即支座間距對(duì)邊墩支座反力影響最大，曲線半徑次之，而橋梁縱坡對(duì)其的影響較小。

表6 中墩支座反力 kN

同樣由表6可知：R(曲線半徑)>R(橋梁縱坡)>R(支座間距)，即曲線半徑對(duì)中墩支座反力影響最大，橋梁縱坡次之，而支座間距對(duì)其的影響較小。

通過(guò)進(jìn)一步比較表5和表6可見(jiàn)，3個(gè)因素對(duì)表5中的邊墩支座反力影響更大，且通過(guò)之前的研究發(fā)現(xiàn)，邊墩出現(xiàn)負(fù)支座反力(發(fā)生脫空)是傾覆的開(kāi)始，而中墩支座基本不出現(xiàn)支座反力。因此，對(duì)橋梁的傾覆穩(wěn)定性而言，在3個(gè)因素中，支座間距對(duì)邊墩支座反力影響最大，曲線半徑次之，而橋梁縱坡對(duì)其影響較小。

3 結(jié)論

1) 通常情況下，支座脫空的情況均發(fā)生于邊墩支座，而中墩支座很少出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象。

2) 在車輛超載情況下，支座負(fù)反力明顯增大，說(shuō)明此時(shí)橋梁更易發(fā)生傾覆。

3) 曲線半徑越小，橋梁更易傾覆;支座間距越小，橋梁更易傾覆;橋梁縱坡越大，橋梁更易傾覆。

4) 對(duì)橋梁的傾覆穩(wěn)定性而言，支座間距對(duì)邊墩支座反力影響最大，曲線半徑次之，而橋梁縱坡對(duì)其的影響較小。

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