曲率半徑對于連續(xù)梁橋的抗傾覆穩(wěn)定性影響研究

施逸卉

摘要：依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（（JTG 3362-2018）的第4.1.8規(guī)定，利用邁達斯有限元軟件建立不同曲率半徑連續(xù)梁橋模型，進行抗傾覆穩(wěn)定性分析并進行對比研究。并對于連續(xù)梁橋的設計提出相關建議，進而避免橋梁傾覆事故對社會造成重大影響與損失。

關鍵詞：抗傾覆穩(wěn)定性連續(xù)梁橋 有限元軟件 曲率半徑 支座

引言

連續(xù)橋梁由于造型美觀、占地面積較小等優(yōu)勢，在城市高架橋中應用廣泛，尤其小半徑曲線橋經(jīng)常得到設計采用。但由于近年來城市高架傾覆事故發(fā)生較為頻繁，故其成為社會被廣泛探討的話題與焦點。在《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362-2018）實施后，相關設計人員對于連橋梁橋的抗傾覆穩(wěn)定驗算更加重視，并已成為設計過程中的重要驗算內(nèi)容。本文結合具體工程實例，對于某高速公路不同曲率半徑連續(xù)梁橋進行抗傾覆穩(wěn)定性分析研究。

1工程概況

取某高速公路互通匝道橋第7聯(lián)和第9聯(lián)進行分析，采用跨徑組合均為（3*30）m，第7聯(lián)曲率半徑為125m，第9聯(lián)曲率半徑為600m，結構形式均為單幅雙車道匝道橋。此互通匝道橋橋?qū)挒?0.5m，懸臂長為1.75m，梁高1.8m，橋?qū)捊M合為0.5m（墻式護欄）+9.5（行車道）+0.5m（墻式護欄）=10.5m。上部結構采用預應力混凝土連續(xù)箱梁結構，施工方式為滿堂支架現(xiàn)澆。下部結構橋墩為雙支座花瓶墩，鉆孔灌注樁基礎?；ㄆ慷罩ёg距為3.2m，橫橋向長4.8m，縱橋向?qū)?.6m，無偏心。其主要工程材料的參數(shù)如下：上部結構采用C50混凝土，下部結構采用C40混凝土，橋面鋪裝為10cm厚瀝青混凝土加上7cm厚C40防水混凝土。

2建立模型

采用邁達斯有限元分析軟件分別對第7聯(lián)和第9聯(lián)進行單梁模型建模分析。本橋荷載按照工程實際情況施加，考慮了結構自重、二期恒載、活載、預應力、溫度效應、混凝土的收縮徐變等控制因素。同時按施工圖紙建立相應施工階段模型，考慮預應力張拉、施工順序、非線性等環(huán)境因素對支座反力的影響。橫橋向共布置兩車道，單車道寬為1.8m，車道與車道間間距為1m.車道荷載依據(jù)《公路橋梁設計規(guī)范》中所提要求，按集中荷載P=280 kN，均布荷載q=10.5kN/m進行受力布置。支座與梁體間的連接采用彈性連接進行模擬。

3抗傾覆分析

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362-2018）條文說明第4.1.8條：橋梁發(fā)生事故的破壞過程表現(xiàn)為，單向受壓支座脫離了正常的受壓工作狀態(tài)，上部結構的支承體系不再提供有效約束，上部結構扭轉(zhuǎn)變形趨于發(fā)散、橫向失穩(wěn)垮塌，支座、下部結構連帶損壞。按照現(xiàn)行《工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準》 （GB 50153）的規(guī)定，這類破壞屬于承載能力極限狀態(tài)范疇。

橋梁的傾覆過程中存在2個明確特征狀態(tài)：特征狀態(tài)1：箱梁的單向受壓支座開始脫離受壓;特征狀態(tài)2，箱梁的抗扭支承全部失效。本文參考國內(nèi)外相關規(guī)范，采用這兩個特征狀態(tài)作為抗傾覆驗算工況。

1）針對特征狀態(tài)1，作用基本組合下，箱梁橋的單向受壓支座處于受壓狀態(tài)。

2）箱梁橋同一橋墩的一對雙支座構成一個抗扭支承，起到對扭矩和扭轉(zhuǎn)變形的雙重約束;當雙支座中一個支座豎向力變?yōu)榱?、失效后，另一個有效支座僅起到對扭矩的約束，失去對扭轉(zhuǎn)變形的約束;當箱梁的抗扭支承全部失效時，箱梁處于受力平衡或扭轉(zhuǎn)變形失效的極限狀態(tài)，即達到特征狀態(tài)5，如圖 5-c。對特征狀態(tài)2，參考擋土墻、剛性基礎的橫向傾覆驗算，采用“穩(wěn)定作用效應≥穩(wěn)定性系數(shù)x失穩(wěn)作用效應”的表達式。

箱梁橋處于特征狀態(tài)2時，各個橋墩都存在一個有效支座。穩(wěn)定效應和失穩(wěn)效應按照失效支座對有效支座的力矩計算：

綜合考慮該簡化分析方法的偏差系數(shù)和實際車輛密集排布情況下汽車荷載效應的放大系數(shù)，確定橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)為2.50，即? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?≥2.5。

3）橫向抗傾覆穩(wěn)定性驗算的主要規(guī)定：

獨柱墩橋梁橫向傾覆過程存在如下2個明確特征狀態(tài)：

特征狀態(tài)1：箱梁的單向受壓支座開始脫離受壓工作狀態(tài);

特征狀態(tài)2：箱梁的抗扭支承全部失效。

本文參考國內(nèi)外相關規(guī)范，并結合工程實例，采用這兩個特征狀態(tài)作為小半徑現(xiàn)澆連續(xù)梁橋的抗傾覆驗算分析依據(jù)，為相關設計人員提供參考價值。

4驗算結果

根據(jù)橫向抗傾覆穩(wěn)定性驗算的主要規(guī)定進行如下兩種特性驗算，表中支座編號均為1號和2號支座，其中1號支座為內(nèi)側支座。

1）基本組合支座反力驗算

從上述表可知，不同曲率半徑連續(xù)梁橋在特征狀態(tài)1下各支座保持受壓狀態(tài)，滿足規(guī)范要求，其中R=600m的連續(xù)梁橋最小支座反力更大，設計更偏于保守。

2）抗傾覆安全系數(shù)驗算

從上述表可知，不同曲率半徑連續(xù)梁橋在特征狀態(tài)2下抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)均>2.5，滿足規(guī)范要求，其中R=600m的連續(xù)梁橋穩(wěn)定性系數(shù)更大更有利。

故此項目第7聯(lián)與第9聯(lián)均滿足抗傾覆穩(wěn)定性驗算，無需進行加固措施。

5結論

1）本文以某高速公路互通匝道橋第7聯(lián)與第9聯(lián)為研究背景，針對特征狀態(tài)1和特征狀態(tài)2進行分析得出結論，在標準組合下，連續(xù)橋梁梁未出現(xiàn)負反力，同時抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均>2.5，所以滿足規(guī)范要求，無需對此橋進行抗傾覆加固。

2）連續(xù)梁橋的曲率半徑越大，越有利于提高抗傾覆穩(wěn)定性，故建議在設計過程中可適當提高匝道橋梁的曲率半徑，從而提高橋梁的穩(wěn)定性。

3）由于傾覆事故頻發(fā)，故在工程設計中應當盡量避免設計單支座橋墩，對于雙支座結構連續(xù)梁橋，建議增加支座間距，避免支座脫空。提高橋梁的整體穩(wěn)定性。

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（作者單位：中鐵大橋勘測設計院集團有限公司）