獨(dú)柱墩曲線橋的抗傾覆穩(wěn)定性探討

摘 ?要：基于近年來(lái)在超載車輛作用下的傾覆事件，分析了橋梁傾覆破壞的原因。探討了汽車荷載，溫度，曲率半徑，支座設(shè)置等對(duì)獨(dú)柱墩曲線橋傾覆的影響。簡(jiǎn)要介紹了抗傾覆穩(wěn)定性的計(jì)算方法?？偨Y(jié)了曲線橋抗傾覆的應(yīng)對(duì)措施，對(duì)今后獨(dú)柱墩曲線橋的抗傾覆加固提供參考。

關(guān)鍵詞：獨(dú)柱墩;曲線橋;傾覆;加固

1引言

隨著交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，對(duì)交通便利的要求越來(lái)越高。為滿足交通運(yùn)輸?shù)男枰诲e(cuò)復(fù)雜的交通路線就必然涉及到曲線橋。曲線橋擁有較好地適應(yīng)路線、路形的限制，且曲線橋線形優(yōu)美的優(yōu)點(diǎn)。曲線橋多采用獨(dú)柱墩的下部結(jié)構(gòu)形式，其受力特點(diǎn)復(fù)雜。受縱向彎曲與曲率的影響，曲線梁截面在發(fā)生豎向彎曲時(shí)，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)從而導(dǎo)致梁的撓曲變形，即為彎扭耦合現(xiàn)象。曲線橋即使在對(duì)稱荷載作用下也會(huì)產(chǎn)生較大的扭矩，產(chǎn)生內(nèi)力差別，導(dǎo)致邊跨支座反力不一，甚至可能出現(xiàn)負(fù)值。此外，在嚴(yán)重偏載、超載的車輛荷載作用下，曲線梁橋還會(huì)有發(fā)生傾覆的風(fēng)險(xiǎn)[1]。

近年來(lái)不斷有獨(dú)柱墩曲線梁橋橫向傾覆倒塌事故的發(fā)生，2009年7月15日，津晉高速公路某匝道橋坍塌;2011年2月21日，浙江上虞春暉立交橋引橋發(fā)生傾覆等[2]。我國(guó)對(duì)獨(dú)柱墩曲線橋偏載下的傾覆問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。本文將針對(duì)目前獨(dú)柱墩曲線橋存在的傾覆問(wèn)題進(jìn)行分析、總結(jié)，并提出應(yīng)對(duì)措施，簡(jiǎn)要介紹加固方法，對(duì)今后獨(dú)墩柱曲線橋的加固提供參考。

2獨(dú)柱墩曲線橋傾覆機(jī)理

梁橋的傾覆是一個(gè)剛體轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程，在外界荷載作用下，由于內(nèi)梁卸載外梁超載的作用，使得外梁荷載效應(yīng)顯著增大，整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)繞著一個(gè)軸發(fā)生翻轉(zhuǎn)，最終傾覆失效。傾覆過(guò)程中結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生大變形，最后發(fā)散導(dǎo)致整個(gè)剛性梁體轉(zhuǎn)動(dòng)滑落[3]。橋梁傾覆性破壞主要分為內(nèi)因和外因，內(nèi)因是自身結(jié)構(gòu)的缺陷，外因是由橋面荷載分布不均引起。

2.1汽車荷載對(duì)獨(dú)柱墩曲線橋的影響

車輛超載現(xiàn)象導(dǎo)致許多橋梁經(jīng)常處于超負(fù)荷工作狀態(tài)。而且貨車通常都是結(jié)伴、靠右行駛，對(duì)于獨(dú)柱墩橋梁增大了傾覆失穩(wěn)的可能性，如圖1所示。

在外界荷載作用下，整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)繞著一個(gè)軸發(fā)生翻轉(zhuǎn)，一旦達(dá)到翻轉(zhuǎn)的臨界狀態(tài)，梁橋結(jié)構(gòu)就變成機(jī)動(dòng)體系，從而導(dǎo)致整體式的傾覆破壞。

2.2溫度對(duì)獨(dú)柱墩曲線橋的影響

混凝土箱梁經(jīng)陽(yáng)光照射后，受太陽(yáng)照射的表面溫度變化大，而背面溫度變化小，且沿高度方向各纖維層的溫度有差異，從而產(chǎn)生所謂的溫度梯度。由于材料具有熱脹冷縮的性質(zhì)，必然會(huì)產(chǎn)生溫度變形。當(dāng)變形受到約束，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相當(dāng)大的溫度應(yīng)力，甚至超過(guò)汽車活載作用下的應(yīng)力[4]。在溫度長(zhǎng)期作用下，曲線梁體因兩端約束，其中間位置在平面內(nèi)緩慢向外側(cè)移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，升溫朝外移，降溫朝內(nèi)移。再加上重力分力作用，移動(dòng)到偏心一定量后，梁體開(kāi)始整體向外側(cè)扭轉(zhuǎn)，梁體的水平分力大于支座的摩擦力，造成曲線梁體突然整體下滑。

2.3曲率半徑對(duì)獨(dú)柱墩曲線橋的影響

曲率半徑的變化對(duì)主梁扭矩產(chǎn)生的影響較為明顯。半徑小于300m時(shí)，扭矩影響尤為顯著;半徑大于300m時(shí)，其影響逐漸減弱，可近似采用直線橋梁進(jìn)行模擬計(jì)算[5]。文獻(xiàn)[6]研究提出當(dāng)橋梁曲線半徑R等于285m時(shí)，稱其為“危險(xiǎn)半徑”。獨(dú)柱墩彎箱梁橋的橫向抗傾覆穩(wěn)定性差，傾覆軸線為兩端外側(cè)支座與獨(dú)柱墩支座連線，主梁很可能發(fā)生繞傾覆軸線的傾覆失穩(wěn)破壞。相應(yīng)的示意簡(jiǎn)圖如圖2所示。

傾覆軸線近似為支座a、c、d、e連線，此時(shí)橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)小，且量端內(nèi)側(cè)支座有脫空傾向，說(shuō)明其橫向抗傾覆穩(wěn)定性差，梁很可能發(fā)生繞傾覆軸線的傾覆失穩(wěn)破壞。

2.4支座設(shè)置對(duì)獨(dú)柱墩曲線橋的影響

曲線梁橋結(jié)構(gòu)常用的支撐方式有圖3所示三種：中間點(diǎn)鉸支撐型式、間隔點(diǎn)鉸支撐型式和雙支座型式。

由于曲率的影響，中間采用單鉸支撐對(duì)于曲線結(jié)構(gòu)是受力很合理的結(jié)構(gòu)體系，通過(guò)單鉸支撐不僅優(yōu)化了下部結(jié)構(gòu)空間，還能夠支撐梁體整體的受力與變形[7]。由于橋梁下部結(jié)構(gòu)采用獨(dú)柱支承方式，因此支承點(diǎn)的位置對(duì)結(jié)構(gòu)受力尤為重要。此外由于獨(dú)柱支承曲線梁橋中間支點(diǎn)抗扭能力弱，所以必須在橋梁兩端部設(shè)置抗扭支承，以增加橋梁的整體穩(wěn)定性[8]。

3抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算方法

《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》（JTGD62-2018）作了相關(guān)規(guī)定，上部結(jié)構(gòu)采用整體式截面的獨(dú)柱墩橋梁在使用階段結(jié)構(gòu)體系不應(yīng)發(fā)生改變，并應(yīng)按下列規(guī)定驗(yàn)算橫橋向抗傾覆性能：在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài);當(dāng)梁橋整聯(lián)只采用單向受壓支座支承時(shí)，應(yīng)符合下式要求：

式中： 為穩(wěn)定系數(shù); 為穩(wěn)定力矩;為傾覆力矩。

4抗傾覆應(yīng)對(duì)措施

（1）車輛超載是產(chǎn)生橋梁結(jié)構(gòu)破壞的直接外因，要減少車輛超載的發(fā)生，也要控制多輛重車的排隊(duì)偏移行駛，從而降低彎橋傾覆的概率。（2）橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，考慮日照溫差。力學(xué)模型應(yīng)盡可能反映結(jié)構(gòu)的受力情況，特別是邊界條件的模擬。（3）改善獨(dú)柱墩的橫向支座間隔，增加抗扭性能。如果是雙支座型式，需增加橫向支座間隔;如果是單點(diǎn)支撐形式，需對(duì)支座進(jìn)行必要的外側(cè)移動(dòng)，或直接將橋墩和梁體固結(jié)處理，從而降低橋梁傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。（4）彎橋溫度變形較大時(shí)，對(duì)支座的適應(yīng)變形要求高，設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇合理的支撐體系。通過(guò)預(yù)設(shè)偏心、增大支座橫向距離等措施，可以減少內(nèi)外側(cè)支撐反力之差[9]。

在選取獨(dú)柱墩橋梁加固方法的時(shí)候，可以考慮獨(dú)柱墩加混凝土蓋梁改單支座為雙支座、獨(dú)柱墩固結(jié)、增設(shè)墩柱、更換支座等，綜合考慮各種加固方法的可靠性、經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性、加固效果等，通過(guò)多維度多角度對(duì)比分析后選取出最優(yōu)的加固方法。

5結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)工程建設(shè)的快速發(fā)展，獨(dú)柱墩曲線橋梁的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。本文通過(guò)對(duì)獨(dú)柱墩橋梁的傾覆機(jī)理、抗傾覆性計(jì)算、抗傾覆穩(wěn)定性的影響因素以及獨(dú)柱墩橋梁的加固措施等問(wèn)題進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）梁體在溫度、收縮徐變、預(yù)應(yīng)力等與汽車活載的多種組合作用下會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變形、爬移、轉(zhuǎn)角增大等病害。

（2）采用獨(dú)柱墩下部結(jié)構(gòu)形式，橋梁的橫向抗扭性能降低，車輛偏載作用下很容易繞著轉(zhuǎn)動(dòng)軸翻轉(zhuǎn)破壞。

（3）加固時(shí)可將多種加固方法靈活結(jié)合來(lái)對(duì)獨(dú)柱墩橋梁進(jìn)行加固，從而獲得更好的加固效果。

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作者簡(jiǎn)介：唐逸（1995—），男，漢，重慶人，工學(xué)碩士，西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院 。