橋梁結(jié)構(gòu)抗傾覆計(jì)算分析與防控措施

殷 濤， 丁 楠， 張 龍

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司;公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心,安徽 合肥 230088)

0 引 言

2007年以來(lái),我國(guó)發(fā)生了多起橋梁倒塌傾覆事故,橋梁的穩(wěn)定性和安全性越來(lái)越受到重視。通過(guò)對(duì)傾覆形式和原因的分析,倒塌原因主要有三種[1]:

(1) 下部結(jié)構(gòu)破壞,上部結(jié)構(gòu)保持完好。在極端事件下(例如地震、車(chē)輛撞擊等),下部結(jié)構(gòu)破壞,上部結(jié)構(gòu)支承失效,引起倒塌。

(2) 上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞。荷載作用下,上部結(jié)構(gòu)因強(qiáng)度不足發(fā)生破壞,造成倒塌。

(3) 下部結(jié)構(gòu)完好,上部結(jié)構(gòu)傾覆破壞。

其中,由于車(chē)輛超重和橋梁支座設(shè)置不合理導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)傾覆破壞,沒(méi)有明顯征兆,猝然發(fā)生極其危險(xiǎn),需要嚴(yán)格控制。

1 橋梁抗傾覆計(jì)算方法

傾覆現(xiàn)象可以描述為,橋梁上部結(jié)構(gòu)在超重車(chē)輛偏載作用下產(chǎn)生的失穩(wěn)傾覆力矩超過(guò)結(jié)構(gòu)恒載的穩(wěn)定力矩,支座反力重新分布,部分支座脫離正常的受壓狀態(tài),支承體系不再提供有效約束,上部結(jié)構(gòu)繞傾覆軸線發(fā)生旋轉(zhuǎn),最終形成結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)大變形,橫向失穩(wěn)垮塌,支承約束體系破壞的現(xiàn)象。

橋梁的傾覆過(guò)程中先后有兩個(gè)特征狀態(tài)[2]，如圖1所示:

圖1 典型破壞過(guò)程

(1) 某一單向受壓支座開(kāi)始脫空。

(2)箱梁的抗扭傾覆的支承體系全部失效。

在傾覆的第二特征狀態(tài)中,結(jié)構(gòu)變形不再符合小位移的假定,存在幾何非線性影響。

對(duì)于墩梁固結(jié)的箱梁,在移動(dòng)偏載的作用下,主梁處于彎剪扭的復(fù)雜狀態(tài),墩梁固結(jié)處橋墩處于偏壓狀態(tài),其破壞極限是由箱梁和固結(jié)處橋墩的承載能力和受壓穩(wěn)定性共同控制。

為了研究不同因素對(duì)橋梁傾覆能力的影響,選擇一典型彎橋項(xiàng)目進(jìn)行傾覆驗(yàn)算分析,首先通過(guò)有限元計(jì)算分析軟件,分別按照橋梁的不同的結(jié)構(gòu)形式和支撐條件建立橋梁模型,如圖2所示，計(jì)算出各個(gè)方案的支座反力及抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。驗(yàn)算橋梁為(45+70+45)m變截面預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)梁,主梁采用C50混凝土,單箱單室截面,橋?qū)?8 m,中跨跨中梁高2 m,支點(diǎn)位置梁高4 m,結(jié)構(gòu)自重、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力及移動(dòng)荷載等按照實(shí)際情況施加。

圖2 模型軸視圖

設(shè)計(jì)四種方案進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表1。

表1 方案對(duì)比

四種方案的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 抗傾覆能力表驗(yàn)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)彎橋四種支座布置方案對(duì)比分析得知,當(dāng)中墩采用獨(dú)柱單支座形式時(shí),計(jì)算得到的支反力驗(yàn)算和箱梁橫向抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算均最為不利。通過(guò)增大平曲線半徑、加大支座間距、中墩設(shè)置雙支點(diǎn)均有利于提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能,其中中墩改設(shè)雙支點(diǎn)后的抗傾覆能力的提升效果最好。

2 傾覆防控措施

通過(guò)以上驗(yàn)算結(jié)果對(duì)比和日常橋梁設(shè)計(jì)總結(jié)可以得出,影響箱梁抗傾覆性能的因素包括:橫向支點(diǎn)數(shù)量、支點(diǎn)橫向間距、以及平曲線半徑、橋梁抗扭跨徑、邊中跨比等[3,4]。

橋梁的抗傾覆措施包含:

(1) 改變結(jié)構(gòu)破壞模式:將跨中單支座獨(dú)柱高墩改造為墩梁固結(jié),結(jié)構(gòu)受力體系復(fù)雜,因此需要按規(guī)范要求進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算;

(2) 提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性:加大平曲線半徑、跨中獨(dú)柱單支座改造為多支座,增大墩臺(tái)雙支座間距。這種措施不顯著改變結(jié)構(gòu)的受力體系,同時(shí)可以結(jié)合改造橋墩,如加寬橋墩或設(shè)置鋼蓋梁等來(lái)減少橋下空間的影響;

(3) 設(shè)置冗余約束:加設(shè)限位構(gòu)造、抗拔裝置,防止落梁和支座脫空。這種方法可以提高橋梁冗余安全性,但不提高抗傾覆性能。

3 結(jié) 論

為了避免橋梁的傾側(cè)破壞,防止新的傾覆事件發(fā)生,可得出以下結(jié)論:

對(duì)于正在設(shè)計(jì)階段的箱梁橋,擬定結(jié)構(gòu)方案時(shí)應(yīng)注意:

(1) 支座間距對(duì)梁體抗傾覆能力影響很大,橋墩宜采用橫向多支座體系,支座橫向間距盡量拉開(kāi)。

(2) 當(dāng)建設(shè)條件受限時(shí),跨中橋墩必須采用獨(dú)柱墩形式時(shí),可采用墩梁固結(jié)形式。

(3) 橋梁端部設(shè)置限位構(gòu)造和抗拔裝置,防止落梁。

對(duì)于已經(jīng)處于運(yùn)營(yíng)階段的箱梁橋，應(yīng)注意:

(1) 應(yīng)加強(qiáng)橋梁健康監(jiān)測(cè)和安全評(píng)估,根據(jù)抗傾覆性能做綜合整治,獨(dú)柱中墩改造方案盡量采用雙支座或多支座形式;

(2) 避免超重載車(chē)和養(yǎng)護(hù)施工荷載密集、靠邊停放。