連續(xù)鋼箱梁橋抗傾覆性能影響因素研究

肖鵬程

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司城建設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430050)

近年來(lái)，連續(xù)鋼箱梁橋在城市橋梁建設(shè)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。鋼箱梁具有抗扭剛度大、跨越能力強(qiáng)、力學(xué)性能優(yōu)越、結(jié)構(gòu)本身重量輕等特點(diǎn)。但也由于其自身結(jié)構(gòu)輕，抗傾覆能力下降，導(dǎo)致橋梁失穩(wěn)和傾覆事故頻繁發(fā)生。因此在橋梁運(yùn)行期間，有必要針對(duì)連續(xù)鋼箱梁橋的橫向抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行分析。目前，許多研究人員對(duì)此進(jìn)行了研究?，F(xiàn)有的研究主要集中在如何提高連續(xù)鋼箱梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性和提高橋梁結(jié)構(gòu)抗傾覆性能的方法，而對(duì)影響參數(shù)的研究很少，存在有一定的局限性。因此結(jié)合有限元軟件對(duì)廣州市某高架橋橫向抗傾覆性能進(jìn)行研究，考慮不同橫向荷載作用位置、支座間距以及橋墩布置形式等設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生支座負(fù)反力以及橫向抗傾覆性能進(jìn)行分析，并提出合理的橋梁抗傾覆加固措施與建議。

1 抗傾覆理論

1.1 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

當(dāng)橋梁整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)橫向傾覆失穩(wěn)時(shí)，遠(yuǎn)離不平衡荷載一側(cè)的支座已經(jīng)脫空。橋梁的側(cè)向穩(wěn)定系數(shù)可以取為恒定荷載下的傾覆力矩與偏心荷載作用下的傾覆力矩之比。目前，主要通過(guò)抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性，并且當(dāng)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)大于2.5時(shí)，可以認(rèn)定結(jié)構(gòu)的橫向抗傾覆穩(wěn)定性良好，能夠抵抗偏載作用下產(chǎn)生的傾覆力矩。其計(jì)算公式如下

(1)

式中：為抗傾覆扭轉(zhuǎn)力矩；為傾覆扭轉(zhuǎn)力矩。

直線橋和曲線橋受力特點(diǎn)不同，其抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算方法也有所差別，對(duì)于直橋，橋的軸線是直的，傾覆軸是支座在橋臺(tái)同側(cè)的直線。在彎橋的情況下，傾覆軸是橋臺(tái)一側(cè)的軸承之間的線或兩個(gè)橋墩上的軸承之間的線，以更側(cè)向的為準(zhǔn)。

(2)

(3)

1.2 橋梁抗傾覆破壞機(jī)理

針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的橫向傾覆失穩(wěn)破壞過(guò)程，其抗傾覆破壞機(jī)理可歸納為兩種情況。

當(dāng)由于偏心荷載導(dǎo)致的傾覆力矩小于結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩時(shí)，此時(shí)支座尚未發(fā)現(xiàn)脫空現(xiàn)象，但其橫向支承受到很大的水平約束力，橋墩處于受壓和彎曲狀態(tài)。從一些以前發(fā)生過(guò)傾覆事故的橋梁結(jié)構(gòu)來(lái)看橋梁墩柱底部截面發(fā)生壓縮和彎曲破壞，使墩柱沿主梁撓度的水平方向發(fā)生較大變形，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)下降。在設(shè)計(jì)時(shí)，如果對(duì)橋墩橫向剛度考慮不周，橋墩頂部就會(huì)在偏心荷載作用下受到較大的側(cè)向推力，從而導(dǎo)致橋墩損壞。

當(dāng)由于偏心荷載導(dǎo)致的傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩時(shí)，此時(shí)離偏心荷載遠(yuǎn)端的支座都會(huì)呈現(xiàn)脫空現(xiàn)象。隨著約束系統(tǒng)的減弱，結(jié)構(gòu)的整體扭轉(zhuǎn)剛度將趨近失效，主梁的旋轉(zhuǎn)角度隨著載荷的增加而變大，在主梁繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)下和彈性彎曲變形下的共同作用下發(fā)生失穩(wěn)傾覆。此時(shí)，偏心荷載一側(cè)的橋墩仍處于彎曲狀態(tài)。無(wú)論墩柱出現(xiàn)整體彎曲還是局部混凝土破碎，都會(huì)使得壓縮支撐角超過(guò)極限，從而造成結(jié)構(gòu)整體傾覆。

連續(xù)鋼箱梁橋橫向抗傾覆穩(wěn)定性應(yīng)當(dāng)看成是整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問(wèn)題。因此不能單獨(dú)以支座脫空當(dāng)作橫向穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)。要全面對(duì)比主梁傾覆力矩與抗傾覆的關(guān)系，確保墩柱在水平力作用下引起的偏心荷載的承載能力。

2 計(jì)算實(shí)例

2.1 工程概況

某在建高架橋主線全長(zhǎng)360 m，共分三聯(lián)，跨徑組合為(3×40)+(3×40)+(3×40)m，橋?qū)?7.5 m，雙向四車道。組合梁采用預(yù)制橋面板，橋面板間通過(guò)濕接縫聯(lián)系。為控制負(fù)彎矩區(qū)橋面板應(yīng)力，通過(guò)支座預(yù)位移削減混凝土應(yīng)力。橋面板采用C50混凝土，鋼梁采用Q355C鋼材。等高組合梁梁高1 800 mm，橋面板厚250～400 mm，鋼梁梁高1 360 mm，橋面板與鋼梁間為40 mm厚環(huán)氧砂漿。

2.2 有限元模擬

組合梁計(jì)算軟件為midas Civil 2019版本，建立箱梁空間梁?jiǎn)卧Ｐ?，采用軟件中的施工?lián)合截面。鋼梁橫向采用工字鋼連接，橋面板的連接采用虛擬橫梁來(lái)連接。組合梁抗彎承載力的計(jì)算應(yīng)考慮剪力滯效應(yīng)的影響，計(jì)算箱梁在腹板兩側(cè)上、下翼緣的有效寬度。經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算可得知，有效寬度可以按照全橋?qū)挾扔?jì)算。全橋共分792個(gè)單元，607個(gè)節(jié)點(diǎn)，支座采用彈性連接模擬。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 有限元模型圖

3 抗傾覆影響參數(shù)分析

通過(guò)改變荷載橫向作用位置、支座布置形式、橋墩布置形式等影響參數(shù)，結(jié)合有限元模型數(shù)據(jù)，對(duì)橋梁抗傾覆性能進(jìn)行分析，找出重要的因素，為設(shè)計(jì)提供參考。

3.1 荷載橫向作用位置

偏載作用是橋梁出現(xiàn)失穩(wěn)傾覆現(xiàn)象的直接原因，通常把主梁橫截面當(dāng)作雙懸臂梁，當(dāng)偏心荷載作用在懸臂端時(shí)，距離荷載遠(yuǎn)端的支座勢(shì)必受到拉力的作用產(chǎn)生負(fù)反力。結(jié)合有限元模型數(shù)據(jù)分析，得到荷載橫向作用位置對(duì)抗傾覆性能的影響程度，可其計(jì)算表格如表1所示，荷載橫向作用位置與抗傾覆系數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖2所示。

表1 荷載橫向作用位置對(duì)抗傾覆性能的影響

從表1和圖2可看出，車輛荷載離主梁中心線越遠(yuǎn)，遠(yuǎn)離偏載一側(cè)的支座負(fù)反力越大，傾覆力矩也越大，抗傾覆性能下降。因此，建議在橋梁運(yùn)營(yíng)期間安裝道路標(biāo)志，禁止車輛占用最外層的緊急停車區(qū)或緩沖區(qū)。

圖2 荷載橫向作用位置與抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)系

3.2 支座間距

支座間距也是造成橋梁傾覆的重要原因之一。在相同的主梁結(jié)構(gòu)和偏心荷載作用下，支座間距的不同也會(huì)影響到鋼箱梁的抗傾覆性能。通常情況下，支座間距越寬，橋梁的抗傾覆力矩就越大，所以結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，其抗傾覆性能就越好。結(jié)合有限元模型，通過(guò)改變邊界條件來(lái)調(diào)整支座間距，分析支座反力變化情況，其結(jié)果表格如表2所示，支座間距與抗傾覆系數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖3所示。

表2 支座間距對(duì)抗傾覆性能的影響

由表2和圖3可知，增大支座間距后，支座負(fù)反力呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，減小幅度也有所下降，而鋼箱梁抗傾覆穩(wěn)定性能得到提高，因此在實(shí)際工程中，通過(guò)反復(fù)分析結(jié)構(gòu)受力，盡可能的增大支座間距，可提高鋼箱梁抗傾覆穩(wěn)定性能。

圖3 支座間距與抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)系

3.3 橋墩布置形式

在城市道路高架橋和匝道立交橋中，針對(duì)不同的道路條件，通常橋墩布置形式也有所不同，目前主要有單墩單支座、單墩雙支座以及雙墩雙支座三種類型橋墩，單墩單支座因其截面剛度相對(duì)較小，且僅有單個(gè)支座，對(duì)橋梁橫向穩(wěn)定性十分不利。因此只分析單墩雙支座和雙墩雙支座對(duì)鋼箱梁抗傾覆性能的影響。在相同荷載條件下，對(duì)比橋梁抗傾覆性能，其結(jié)果表格如表3所示。

表3 橋墩布置形式對(duì)抗傾覆性能的影響

由表3可看出，在相同偏載作用條件下，單墩雙支座橋梁傾覆力矩明顯比雙墩雙支座大，抗傾覆力矩相對(duì)較小，因此在橋墩設(shè)計(jì)時(shí)，建議優(yōu)先考慮雙墩雙支座橋墩，確保橋梁上部結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆穩(wěn)定性。當(dāng)橋下道路空間條件受到限制只能采用單墩單支座橋墩時(shí)，必須采取配重或其他抗傾覆措施，提高抗傾覆力矩，同時(shí)對(duì)其壓彎承載力進(jìn)行計(jì)算。

4 結(jié) 論

為確保連續(xù)鋼箱梁運(yùn)營(yíng)時(shí)間安全穩(wěn)定，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，通過(guò)改變荷載橫向作用位置、支座的布置形式以及橋墩布置形式等影響參數(shù)，結(jié)合數(shù)值模型分析研究引起連續(xù)鋼箱梁橫向傾覆的關(guān)鍵因素，得到以下結(jié)論。

(1)在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮荷載橫向作用對(duì)橋梁傾覆的影響，降低因車輛荷載遠(yuǎn)離主梁中心線造成橋梁的抗傾覆能力就下降的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)也建議在橋梁運(yùn)營(yíng)期間安裝道路標(biāo)志，禁止車輛長(zhǎng)時(shí)間占用最外層的緊急停車區(qū)或緩沖區(qū)。

(2)通過(guò)增加支座間距能夠減小支座產(chǎn)生的負(fù)反力，提高主梁橫向抗傾覆能力，因此在路面條件允許時(shí)，盡可能的增大支座間距，可提高鋼箱梁抗傾覆穩(wěn)定性能。

(3)雙墩雙支座形式橋墩有利于橋梁橫向抗傾覆，因此在橋墩設(shè)計(jì)時(shí)，建議優(yōu)先考慮雙墩雙支座橋墩，確保橋梁上部結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆穩(wěn)定性。當(dāng)橋下道路空間條件受到限制只能采用單墩單支座橋墩時(shí)，必須采取配重或其他抗傾覆措施，提高抗傾覆力矩。