獨(dú)柱墩梁橋抗傾覆參數(shù)分析與加固措施研究

陳金濤 王宏偉

（重慶交通大學(xué)，重慶400074）

1 概述

隨著城市化的發(fā)展，城市交通壓力日益增大，城市交通壓力也需要各種形式的橋梁來緩解，包括單墩高架橋、立交橋等。這種單柱墩橋有幾個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：給城市提供更多選擇空間與更大的發(fā)展空間；獨(dú)柱墩式橋外形簡潔美觀，能滿足城市的景觀需求；獨(dú)柱墩式橋梁通常采用整體箱梁形式，上部結(jié)構(gòu)抗扭剛度大，橋梁整體性好，有較好的穩(wěn)定性。

但是在后期運(yùn)營過程中同樣出現(xiàn)了諸多問題，其中傾覆是不容忽視的一點(diǎn)，因此影響?yīng)氈樟簶蚩箖A覆的相關(guān)參數(shù)需要進(jìn)一步詳細(xì)分析。

2 獨(dú)柱墩抗傾覆穩(wěn)定性影響因素

2.1 梁端雙支座間距

獨(dú)柱墩橋梁的傾覆翻轉(zhuǎn)線與端部支座間距有直接關(guān)系，端部支座間距越大，橋梁重心越容易落入翻轉(zhuǎn)線內(nèi)側(cè)。為了得到端部支座間距與支座反力的準(zhǔn)確關(guān)系，采用計(jì)算算例為3 跨20m 連續(xù)梁橋，橋梁曲線半徑為100m，運(yùn)用MIDAS/CIVIL 軟件模擬分析，支座模擬與實(shí)際支座相同，支座下節(jié)點(diǎn)固結(jié)，支座下節(jié)點(diǎn)與上節(jié)點(diǎn)采用考慮支座自由度的彈性連接，支座上節(jié)點(diǎn)與單元節(jié)點(diǎn)剛性連接。支座間距參數(shù)分別為2m、2.5m、3m、3.5m、4m 共5 組，支座的編號如圖1 所示。

圖1 支座編號圖

在最不利移動荷載偏載作用下，得到的不同支座間距條件下的支反力匯總?cè)绫? 所示。由于橋梁在順橋向?qū)ΨQ，所以a、b、c 支座支反力與d、e、f 支座支反力對稱。因此只研究a、b、c 支座支反力即可。

隨著支座間距的增加，a 支座反力逐漸增加，整體呈線性增大趨勢，表明更大的支座間距使得該支座受壓更大。對于b 支座，當(dāng)支座間距小于3m 時(shí)，支座反力為正值，即為受拉支座，這意味著該橋梁已經(jīng)出現(xiàn)支座脫空失穩(wěn)，當(dāng)支座間距大于3m 時(shí)，支座反力由拉力轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫?，整體變化趨勢與支座間距曾正比例關(guān)系。但必須確保該橋梁所有支座有一定的壓力儲備時(shí)，該橋梁的支座間距應(yīng)大于3m。

表1 不同梁端雙支座間距下各支座反力表

2.2 墩梁連接方式

多跨連續(xù)梁一般有多個(gè)支座，單個(gè)支座出現(xiàn)脫空并不能代表支座會發(fā)生傾覆失穩(wěn)，因此支座脫空結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布后結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)以及支座反力變化需要在研究中考慮。

采用考慮支座脫空的邊界非線性計(jì)算算法，計(jì)算模型為兩跨獨(dú)柱墩梁橋，橋梁跨徑為20m。支座全部采用只受壓彈簧模擬。橋梁寬度為7m，雙車道設(shè)計(jì)，移動荷載采用重載車集群。

圖2 獨(dú)柱墩梁不同連接方式梁抗傾覆性能對比

獨(dú)柱墩與主梁的連接方式為獨(dú)柱墩單支座、獨(dú)柱墩雙支座、獨(dú)柱墩梁固結(jié)，其中獨(dú)柱墩雙支座由分為支座間距為1.3m和支座間距為2.6m 兩種情況，圖2 為各種連接方式端部受拉支座的荷載位移曲線的對比圖。

從圖中可以看出，不同連接對應(yīng)失穩(wěn)荷載系數(shù)不同，墩梁固結(jié)失穩(wěn)荷載系數(shù)最高，單支座最低，墩梁固結(jié)總體比單支座承載能力提高了70%。通過失穩(wěn)后曲線斜率可以看出，墩梁固結(jié)形式在支座脫空后的結(jié)構(gòu)整體剛度最大，表明結(jié)構(gòu)脫空的剩余抵抗傾覆的能力較強(qiáng)，而單只座方式結(jié)構(gòu)剩余剛度幾乎為零，將發(fā)生梁體直接傾覆的可能。

3 加固措施研究

通過前述研究結(jié)論表明，墩梁固結(jié)具有較高的抗傾覆臨界點(diǎn)和較強(qiáng)的剩余承載剛度。但這是由于偏心距轉(zhuǎn)移到了墩柱上，可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)上未發(fā)生傾覆時(shí)，墩柱強(qiáng)度首先發(fā)生破壞，同樣會導(dǎo)致由于墩柱失效產(chǎn)生橋梁的整體破壞。為了同時(shí)考慮支座脫空時(shí)的邊界非線性和墩柱破壞時(shí)的材料非線性，采用Midas/Civil 的抗震性能評估的推倒分析方法，該方法可考慮在荷載逐級加載下結(jié)構(gòu)的破壞歷程。模型中墩柱設(shè)置了10號箍筋和22 號豎向主筋，采用塑形鉸模擬桿件的破壞。墩柱高度為10 米，墩柱直徑為1.5m。

圖3 給出了結(jié)構(gòu)荷載由0 倍逐漸增加到2 倍的荷載位移曲線。從荷載位移曲線可以得代，結(jié)構(gòu)在0.8 倍荷載是出現(xiàn)第一次轉(zhuǎn)折，在0.8 倍荷載以后結(jié)構(gòu)荷載位移權(quán)限為斜率逐漸變小的曲線，可認(rèn)為是結(jié)構(gòu)發(fā)生了強(qiáng)度破壞。表2 給出了獨(dú)柱墩在逐級加載到2 倍荷載下時(shí)發(fā)生塑形破壞的位置和荷載系數(shù)。從表中可以看出，當(dāng)荷載系數(shù)為1.0 時(shí)，結(jié)構(gòu)墩柱出現(xiàn)屬性鉸，結(jié)構(gòu)開裂，出現(xiàn)位置在墩梁交接處，隨著荷載的逐漸增大，墩柱塑形鉸向下發(fā)展。當(dāng)荷載系數(shù)為1.45 時(shí)，結(jié)構(gòu)屬性較進(jìn)入第二階段屈服，表明鋼筋已經(jīng)進(jìn)入塑性階段，隨著荷載的進(jìn)一步增大，第二階段塑性鉸也逐漸向下發(fā)展。圖4 展示在2 倍荷載系數(shù)下墩柱的塑性較分布位置。

從研究結(jié)論可以看出，對于兩跨獨(dú)柱墩連續(xù)梁，墩梁固結(jié)設(shè)計(jì)恰好能夠抵抗重載車集群，當(dāng)荷載進(jìn)一步增大時(shí)，墩梁固結(jié)處容易產(chǎn)生裂縫破壞。

圖3 墩梁固結(jié)結(jié)構(gòu)荷載位移曲線

4 結(jié)論

4.1 獨(dú)柱墩梁橋的整體穩(wěn)定性主要由梁端雙支座提供，支座間距增大是提高橋梁穩(wěn)定性的重要因素。在本算例中，端部支座反力與支座間距呈正比例變化，當(dāng)支座間距小于3m 時(shí)，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不能滿足要求。

表2 獨(dú)柱墩破壞荷載系數(shù)表

圖4 獨(dú)柱墩破壞塑性較位置分布圖

4.2 為了提高獨(dú)柱墩橋梁的穩(wěn)定性，加強(qiáng)獨(dú)柱墩與梁的連接方式是提高橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的有效方法。但支座脫空后荷載將重分布轉(zhuǎn)移到墩柱上，墩梁固結(jié)處容易發(fā)生開裂破壞。因此不能過于依賴墩梁固結(jié)措施提高獨(dú)柱墩橋梁的整體穩(wěn)定性。