基于新版《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》的橋梁抗傾覆設(shè)計分析

李貴峰

(天津市市政工程設(shè)計研究院， 天津 300457)

0 引言

近年來，在我國發(fā)生橋梁橫向整體傾覆的事故屢見不鮮.事故一旦發(fā)生，不僅威脅著人們的生命財產(chǎn)安全，甚至對經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境造成惡劣的影響.例如，內(nèi)蒙古包頭、天津、浙江上虞、黑龍江哈爾濱和廣東河源相繼發(fā)生橋梁箱體橫向傾覆失穩(wěn)直至垮塌的事故案例.這些事故案例中，都有著相同或類似的特征：采用整體式箱梁，結(jié)構(gòu)體系為連續(xù)梁，上部結(jié)構(gòu)有單向受壓支座支承；橋臺或過渡墩采用雙支座或三支座，跨中橋墩全部或部分采用單支座〔1-8〕.為此，我國學(xué)者進(jìn)行了一系列的相關(guān)研究，并頒布了新版《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》JTG 3362-2018，以下簡稱新《橋規(guī)》.至此，我國公路或城市相關(guān)規(guī)范對橋梁整體抗傾覆設(shè)計首次有了明文規(guī)定.

1 橋梁傾覆破壞特征及驗算工況

橋梁傾覆過程一般表現(xiàn)為單向受壓支座脫離正常受壓狀態(tài)，上部結(jié)構(gòu)支承體系不再提供有效約束，上部結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形趨于發(fā)散、橫向失穩(wěn)垮塌，支座下部結(jié)構(gòu)連帶損壞〔9〕，這一系列過程發(fā)展較快，往往具有突發(fā)性，按照現(xiàn)行《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB50153)的規(guī)定，這類的破壞屬于承載力極限狀態(tài)范疇.

根據(jù)下述兩個特征狀態(tài)新《橋規(guī)》規(guī)定：

持久狀況下梁橋不應(yīng)發(fā)生結(jié)構(gòu)體系改變，并同時滿足：①在作用基本組合作用下，單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)；②按作用標(biāo)準(zhǔn)值組合，整體式截面簡支梁和連續(xù)梁的作用效應(yīng)應(yīng)符合：

圖1 橋梁典型破壞過程

式中：kqf——橫橋向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，取kqf=2.5

∑Sbk,i——使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應(yīng)設(shè)計值

∑Ssk,i——使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的效應(yīng)設(shè)計值

此處應(yīng)強(qiáng)調(diào)一點，新《橋規(guī)》中不再提及《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(征求意見稿)中“傾覆軸線”的概念，原因是“傾覆軸線”是將梁體假定為理想的剛體，忽略了梁體處于彎剪扭復(fù)雜的受力狀態(tài)、抗扭剛度對傾覆性能的影響〔9，10〕以及傾覆過程中墩臺之間的相互作用.新《橋規(guī)》提出了有效支座與失效支座的概念，認(rèn)為各橋墩必然存在一個有效支座，穩(wěn)定效應(yīng)及失效效應(yīng)通過失效支座對有效支座的支反力力矩計算.

2 計算實例

針對新《橋規(guī)》的抗傾覆設(shè)計，本文采用對某工程中3×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的抗傾覆進(jìn)行計算，橋梁支座布置形式如下圖(曲線梁支座布置原則與下圖相同，略)：

圖2 3×30 m連續(xù)梁全部雙支座示意圖 圖3 3×30 m連續(xù)梁中墩連續(xù)單支座示意圖

根據(jù)新《橋規(guī)》同一個墩位上必有一個有效支座，因此對于中支點布置一個支座的情況，該支座必定為有效支座；而曲線梁一般情況下均為外弧側(cè)支反力大于內(nèi)弧側(cè)支反力，因此對于曲線梁外弧側(cè)支座為有效支座，內(nèi)弧側(cè)支座為失效支座.

本文根據(jù)以下三組不同模型參數(shù)，考慮了直線橋、不同曲線半徑以及不同支座間距條件下的抗傾覆計算：

第一組模型：3×30 m邊墩雙支座間距S=4 m、中墩單支座，R取直線、300 m、250 m、200 m；

第二組模型：3×30 m中墩邊墩均雙支座S=4 m，R取直線、300 m、250 m、200 m；

第三組模型：3×30 m直線，支座間距S=4 m、3.5 m、3 m、2.5 m.

3 計算結(jié)果分析

模型采用有限元軟件Midas/Civil 2019計算，在結(jié)果分析中應(yīng)注意，每組可變荷載引起的反力值應(yīng)取能夠同時發(fā)生的反力值.

a.第1組模型結(jié)果(表1)

從該組結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，隨著曲線半徑的減小由直線和300 m變至200 m，永久荷載下內(nèi)弧側(cè)反力也逐漸變小，活載負(fù)向反力也逐漸增大，但在該組支座布置情況下，仍然滿足新《橋規(guī)》基本組合下的支座受壓狀態(tài)，最不利支座反力儲備由1033 kN降至854 kN，降幅17%；而整體傾覆穩(wěn)定系數(shù)由10下降至8，降幅20%.

表1 第1組情況下傾覆計算結(jié)果

b.第二組模型結(jié)果(表2)

本組模型可能的失效支座均為內(nèi)弧側(cè)支座，變化趨勢與第一組模型相同，最不利支座反力儲備由1004 kN降至800 kN，降幅20%；而整體傾覆穩(wěn)定系數(shù)由15.1下降至14，降幅7%.

c.第三組模型結(jié)果(表3)

本組模型支座間距由4 m變化至2.5 m，邊墩支座受壓反力儲備由1002 kN降至529 kN，降幅53%；而傾覆穩(wěn)定系數(shù)更是從15.1降至6.6，降幅56%，在本文這三種結(jié)果中對傾覆計算的影響最大，即增大支座間距是提高傾覆穩(wěn)定系數(shù)的最有效手段.

從這三組模型的橫向?qū)Ρ瓤梢园l(fā)現(xiàn)，同樣條件下，直線橋的傾覆穩(wěn)定系數(shù)大于曲線橋，且隨著曲線半徑的減小，失效支座的受壓反力儲備減小，傾覆穩(wěn)定系數(shù)減?。恢ёg距減小，失效支座的受壓反力儲備減小，傾覆穩(wěn)定系數(shù)減小.

在此處提出一點供大家思考，若按照 “傾覆軸線”的概念：對于直線橋，第一組和第二組模型的傾覆系數(shù)應(yīng)該是基本相同的，而同樣條件下的曲線橋?qū)⒈戎本€橋更難發(fā)生傾覆，這是在新《橋規(guī)》未實施前，以往的論文中采用“傾覆軸線”法計算橋梁整體抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)得到的結(jié)論，即橋梁越彎越不容易傾覆.事實上很多事故案例表明曲線橋更易傾覆，因而“傾覆軸線”法計算橋梁傾覆并不完全適用，新《橋規(guī)》的計算方法更接近實際情況.

從第一組與第二組的縱向?qū)Ρ?，兩組模型的受壓支座反力基本相當(dāng)，但兩組的傾覆穩(wěn)定系數(shù)第二組比第一組模型高出50%～75%；說明同樣的曲線半徑和支座間距條件下，中邊墩均為雙支座比僅僅邊墩雙支座中墩單支座的情況抗傾覆能力顯著提高，因此在有條件的情況下應(yīng)盡量采用雙支座布置形式.另外，新《橋規(guī)》第9.6.9條中增加了支座布置原則要求，特殊條件下必須采用獨柱單支座時，應(yīng)避免采用連續(xù)的獨柱單支座.因此應(yīng)盡量避免本算例中圖2的支座布置形式，本文僅以該支座布置模型結(jié)果總結(jié)規(guī)律.

表2 第二組情況下傾覆計算結(jié)果

表3 第三組情況下傾覆計算結(jié)果

圖4 第一組、第二組支座反力比較圖 圖5 第一組、第二組傾覆穩(wěn)定系數(shù)比較圖

4 結(jié)論

本文以3×30 m的連續(xù)箱梁為例，計算了曲線半徑，支座布置、支座間距對橋梁傾覆計算的影響，得到以下結(jié)論：(1)同樣條件下，直線橋的傾覆穩(wěn)定系數(shù)大于曲線橋，且隨著彎曲半徑的逐步減小，曲線橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)也逐漸減小；(2)同樣條件下，支座間距對橋梁傾覆計算的影響最大，且隨著支座間距的增大，傾覆穩(wěn)定系數(shù)顯著增大；(3)同樣支座間距條件下，均采用雙支座布置比采用單支座傾覆穩(wěn)定系數(shù)更大，因此在有條件的情況下應(yīng)盡量設(shè)置多支座，避免僅設(shè)置單支座.