外部約束失效對橋梁結(jié)構(gòu)強健性影響分析

房 凱

(上海市市政規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，上海 200000)

1 引 言

連續(xù)梁，特別是中間設(shè)置單支座的連續(xù)梁，受力簡單、計算方便，在早起的城市橋梁建設(shè)中常被使用，但是諸如包頭丹拉高速高架橋梁體傾覆事件、哈爾濱陽明灘梁體傾覆事件都給連續(xù)梁的外部約束失效問題敲響了警鐘。這類局部破壞導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)落梁的連續(xù)破壞應(yīng)該被避免[1]，即連續(xù)梁結(jié)構(gòu)需要通過保證外部約束不失效來維持橋梁結(jié)構(gòu)的強健性。

為評價橋梁結(jié)構(gòu)的強健性，需要選擇一個簡潔易得、可操作性、適應(yīng)性強的指標(biāo)[2]。

B1ockley、Dester[3]和方召欣等[4，5]提出基于能量耗散原理的強健性指標(biāo)，而葉列平等[6]提出結(jié)合結(jié)構(gòu)廣義剛度的評價指標(biāo)，即以橋梁結(jié)構(gòu)中局部構(gòu)件出現(xiàn)失效后，整個結(jié)構(gòu)應(yīng)變能的變化作為衡量結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)的指標(biāo)，也是衡量該構(gòu)件失效后，結(jié)構(gòu)強健性的指標(biāo)，其表達(dá)式為

式中：U′為構(gòu)件失效后結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能，U為原結(jié)構(gòu)應(yīng)變能，R為結(jié)構(gòu)強健性。構(gòu)件失效導(dǎo)致的應(yīng)變能變化越大，該構(gòu)件越重要，其失效后結(jié)構(gòu)的強健性也就越差。

連續(xù)梁橋在使用階段若出現(xiàn)偏載時，各支座反力會因彎扭耦合而不同，加之一些橋梁病害因素容易導(dǎo)致梁段翹曲甚至支座脫空等[7]，因此有必要研究連續(xù)梁在約束失效前提下橋梁結(jié)構(gòu)的強健性。

2 工程背景

研究背景為跨徑4 m×22 m鋼筋混凝土連續(xù)曲線梁橋直線梁橋，橋?qū)挒?.5 m，結(jié)構(gòu)中心線為半徑為90 m的圓曲線。截面采用單箱單室如圖1，除兩端采用帶蓋梁的雙支座外，中間支座均采用獨墩的單支座形式，主要材料參數(shù)如下。

公路—I級，橫向可布置雙車道；

混凝土采用C50，容重26 kN/m3；

防撞護欄(兩側(cè))共21.0 kN/m。

圖1 曲線梁橋主梁截面圖(單位：m)

支座約束形式分別如圖2所示。

圖2 曲線梁橋支座示意圖

擋塊尺寸均設(shè)置為30×30×100 cm。

3 有限元模型建立

本算例采用有限元分析軟件ANSYS模型，其中縱橋向為X方向，橫橋向為Y方向，豎向為Z方向?；炷敛捎肧OLID45單元，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用LINK8單元。

選取外部約束的失效對整體抗連續(xù)倒塌能力的影響。為有效的模擬結(jié)構(gòu)失效，以ANSYS的“瞬態(tài)動力”和“生死單元”功能并且“殺死”失效的單元構(gòu)件模擬破壞“瞬間”以及之后一段時間的結(jié)構(gòu)響應(yīng)[8，9]。在后續(xù)的響應(yīng)檢查每一步中的單元受力情況，若出現(xiàn)失效則繼續(xù)“殺死”直至結(jié)構(gòu)計算穩(wěn)定。如果支座在分析過程中出現(xiàn)脫空，在當(dāng)刻殺死約束單元，而支座復(fù)位時，在當(dāng)刻重新建立約束單元。

根據(jù)文獻[10]，確定積分時間步長應(yīng)小于Δt=1/20f=0.000 892 3 s，因此取時間步長為0.000 5 s。根據(jù)所用材料，假定混凝土材料達(dá)到材料標(biāo)準(zhǔn)強度為材料失效推出工作，因此C50的失效強度為抗拉2.65 MPa，抗壓32.4 MPa。而擋塊按經(jīng)過計算，最大可抵抗橫向沖擊力為800 kN。

4 關(guān)鍵約束的確定

運營階段橋梁落梁多數(shù)為約束破壞或者擋塊破壞，而橋梁結(jié)構(gòu)的支座作為“外部約束”邊顯得尤為重要，現(xiàn)通過能量發(fā)計算確定各支座的重要性系數(shù)如表1所示。

對于中間設(shè)置獨柱墩的連續(xù)梁，中墩顯得更為重要，但是現(xiàn)實中墩柱的破壞較為少見，而梁端雙支座中的一個約束出現(xiàn)失效的情況較為常見，該類橋梁的傾覆也多源于梁端約束的失效或者擋塊的失效，因此可以認(rèn)為外部約束均為“關(guān)鍵約束”，并在此研究Z1約束失效的情況，其中Z1側(cè)為重載側(cè)。

表1 各約束的失效時的應(yīng)變能變化量

4.1 支座失效全過程分析

Z1#和Z2#支座失效時結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能時程曲線如圖3和圖4所示。

圖3 支座約束失效時結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能時程曲線

圖4 支座支撐點處位移時程曲線

支座失效后，結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)持續(xù)時間較長，支座失效后橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)振動，Z1#支座在失效后剩余支座約束的連續(xù)失效，其中各重要事件發(fā)生的時間點如表2所示。

表2 Z1#支座失效后橋梁結(jié)構(gòu)變化

經(jīng)過計算，結(jié)論如下。

端部重載側(cè)Z1#支座失效時，結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能變化幅值為33 776.5 J，應(yīng)變能增量相當(dāng)于靜力分析的2.34倍，即動力放大效應(yīng)顯著。

該橋在不足0.15 s內(nèi)橋梁端部的擋塊受力達(dá)到破壞極限800 kN而失效，因該橋梁缺少其他多余橫向約束，橫橋向位移不斷加大，當(dāng)橫向位置較大出現(xiàn)梁體一側(cè)懸空較大時，梁體將出現(xiàn)傾覆，此時橋梁的強健性較差。

4.2 防止橋梁出現(xiàn)連續(xù)倒塌的方法探討

通過以上計算，設(shè)有單支座的連續(xù)梁在約束失效時，動力效應(yīng)顯著，且容易在偏載較大出現(xiàn)傾覆，這主要是因為全橋僅兩端雙支座處可以抵抗橋梁產(chǎn)生的彎扭作用，因此從加大兩端橫向約束的安全系數(shù)和在中間墩增設(shè)多余的抗扭支座兩條思路出發(fā)。目前針對該類橋梁的處理方法多采用對中間單支座墩柱墩增設(shè)蓋梁的方法，本文以該方法并對Z1#支座突然失效進行動力分析[11]。

中間的單支座墩柱墩設(shè)置抗扭支座后，各支座失效后應(yīng)變能變化量如表3所示。

表3 增設(shè)抗扭支座后結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能

由表3可知，橋梁結(jié)構(gòu)增設(shè)抗扭支座，各約束失效后其剩余結(jié)構(gòu)的強健性指標(biāo)顯著加強，增加抗扭支座與原結(jié)構(gòu)在Z1支座失效后的豎向位移對比如圖5所示。

圖5 Z1#支座支撐點處豎向位移時程曲線

計算結(jié)果表明，增加外部約束后，橋梁結(jié)構(gòu)在某個約束失效后，其結(jié)構(gòu)考慮動力效應(yīng)的應(yīng)變能變化顯著減弱，剩余結(jié)構(gòu)的強健性指標(biāo)明顯增加[12]，具體結(jié)論如下。

(1)在連續(xù)梁中間單支座墩柱墩處設(shè)置抗扭約束，可有效的減少約束失效后的動力效；各支座的重要性系數(shù)有效減小即單個約束失效后剩余結(jié)構(gòu)的強健性指標(biāo)轉(zhuǎn)好；

(2)對于Z1支座失效后可能引起傾覆的情況得到有效避免。

5 對獨墩橋梁的加固

對于增加外部約束，可以認(rèn)為多數(shù)為被動發(fā)揮作用，主要起到在特殊情況下防落梁的作用?？梢詮囊韵聨讉€方法選擇。

(1)增設(shè)立柱與支座

在獨柱墩兩側(cè)各增設(shè)一個輔助墩柱與支座，將單點支撐改為三支座支撐[13]。

(2)墩柱加寬

將原獨柱墩橫向兩側(cè)加寬，并在墩頂位置增設(shè)輔助支座[13]。

(3)增設(shè)鋼蓋梁

在原獨柱墩的墩頂增設(shè)鋼蓋梁，在蓋梁兩側(cè)設(shè)置輔助支座[12]。

6 結(jié) 論

梁端一個約束出現(xiàn)失效時，動力效應(yīng)顯著，易導(dǎo)致梁體傾覆，并且在連續(xù)梁中間墩處設(shè)置抗扭約束對提高連續(xù)梁橋的強健性有利。