獨(dú)柱墩梁橋抗傾覆性能影響因素分析

摘要：為了明確不同參數(shù)對(duì)獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆性能的影響程度及影響機(jī)理，文章基于工程實(shí)例，討論一般影響因素及獨(dú)柱墩曲線梁橋的曲率半徑、支座間距、中墩偏心距對(duì)其橫向抗傾覆性能的影響。結(jié)果表明：預(yù)應(yīng)力及支座沉降都會(huì)改變支反力從而影響?yīng)氈樟簶虻臋M向抗傾覆受力性能；提高兩端雙支座間距，可較好地提高獨(dú)柱墩橋梁的橫向抗傾覆性能；適度地將中墩單支座偏心向外側(cè)移動(dòng)，可改善聯(lián)端雙支座的受力特征；曲率半徑越小，越有利于提高獨(dú)柱墩橋梁的橫向抗傾覆性能。

關(guān)鍵詞：獨(dú)柱墩梁橋；橫向抗傾覆性能；曲率半徑；支座間距；中墩偏心距

中文分類號(hào)：U443.22A501654

0引言

獨(dú)柱墩橋梁因其保證橋下空間，增強(qiáng)了橋下通透性而在眾多工程設(shè)計(jì)中選用，其通常在聯(lián)端布置雙支座，中跨位置采用獨(dú)柱墩的單支撐方式，但布置不利于橋梁結(jié)構(gòu)的橫向抗傾覆穩(wěn)定性［1-2］，在偏心荷載、汽車(chē)離心力及多重因素作用下，主梁有很高的傾覆失穩(wěn)破壞風(fēng)險(xiǎn)［3］。

在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，橋梁的正截面抗彎及斜截面抗剪承載力通常是設(shè)計(jì)的重心，但獨(dú)柱墩梁橋的汽車(chē)偏心超載情況下的橫向抗傾覆穩(wěn)定性在設(shè)計(jì)時(shí)同樣不容忽視［4-5］。國(guó)內(nèi)汽車(chē)超載超重的情況時(shí)有發(fā)生，使得一些獨(dú)柱墩橋梁相較設(shè)計(jì)時(shí)的荷載水平處于超負(fù)荷運(yùn)營(yíng)的狀態(tài)。偏心超載會(huì)導(dǎo)致獨(dú)柱墩聯(lián)端雙支座的支反力分布不均勻，長(zhǎng)期的反復(fù)作用最終導(dǎo)致聯(lián)端支座的脫空［6］。由于獨(dú)柱墩梁橋的支座設(shè)置形式，其本身橫向抗傾覆性能較差，當(dāng)發(fā)生支座脫空時(shí)，主梁的支承體系發(fā)生變化，一旦聯(lián)端支座失效，中跨點(diǎn)鉸支承會(huì)使結(jié)構(gòu)變?yōu)閹缀慰勺凅w系，無(wú)法繼續(xù)維持橫向平衡狀態(tài)，最終導(dǎo)致傾覆事故［7-9］。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)發(fā)生了多起獨(dú)柱墩橋梁傾覆事故，獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性研究越來(lái)越引起重視。

影響?yīng)氈樟簶驒M向抗傾覆性能的因素眾多，例如有預(yù)應(yīng)力、支座沉降、邊中比值、曲線梁橋的曲率半徑、聯(lián)端雙支承間距、中墩單支座偏心等［10］，需要通過(guò)對(duì)獨(dú)柱墩梁橋的橫向穩(wěn)定性進(jìn)行研究，明確不同參數(shù)對(duì)獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆性能的影響程度及影響機(jī)理，從而在此基礎(chǔ)上對(duì)獨(dú)柱墩的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。本文基于工程實(shí)例，討論支座沉降，預(yù)應(yīng)力這些一般因素，以及獨(dú)柱墩曲線梁橋的支座間距、曲率半徑、中墩偏心距對(duì)于其橫向抗傾覆性能的影響。

1項(xiàng)目概況

1.1項(xiàng)目概況

某獨(dú)柱墩曲線梁橋梁結(jié)構(gòu)采用3×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，施工方法為滿堂支架施工。主梁全寬為9.74 m，采用單向雙室結(jié)構(gòu)，截面細(xì)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。主梁位于半徑140 m的圓曲線上。梁高1.6 m，箱梁翼緣板寬2 m，頂板寬9.74 m、厚度為0.2 m，底板寬5.74 m、厚度為0.3 m?；炷恋燃?jí)為C50。

荷載工況如下：自重取26 kN/m；橋面鋪裝取-40.4 kN/m；防撞護(hù)欄取10 kN/m，與橋梁中軸線偏心距為4.87 m，橋梁為雙向兩車(chē)道。橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路一級(jí)，計(jì)算橋梁橫向抗傾覆性能只考慮單側(cè)偏載布置，車(chē)道荷載偏載布置同前，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年，車(chē)道布置為雙向兩車(chē)道，支座采用GPZ（Ⅱ）系列盆式橡膠支座。

2獨(dú)柱墩梁橋一般影響因素分析

本節(jié)針對(duì)獨(dú)柱墩梁橋的一般影響因素，不考慮曲梁橋因素影響，分析恒載、預(yù)應(yīng)力及支座沉降對(duì)獨(dú)柱墩梁橋的橫向抗傾覆性能的具體影響，下頁(yè)表1為有限元模型各項(xiàng)作用下的支座支反力。

分析各項(xiàng)作用下的支座反力可知，預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的鋼束次應(yīng)力在支座位置產(chǎn)生了較大的力。在聯(lián)端位置，預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的支座反力與恒載引起的支座反力作用相同，聯(lián)端內(nèi)側(cè)支座的安全系數(shù)也隨之提高，增強(qiáng)了聯(lián)端支座的穩(wěn)定性。雖然在中墩支座位置預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的支座反力方向與恒載支座反力相反，但由于中墩支座處恒載產(chǎn)生的支座反力較大，因此并不影響橋梁整體的橫向抗傾覆性能。

相反，支座沉降在聯(lián)端與跨中產(chǎn)生的支反力均對(duì)橫向抗傾覆性能有所影響，特別當(dāng)支座不均勻沉降時(shí)，會(huì)使得支座受力產(chǎn)生較大的改變，當(dāng)聯(lián)端內(nèi)側(cè)最不利支座沉降相對(duì)較大時(shí)，對(duì)橋梁橫向抗傾覆性能會(huì)造成較大的破壞。

不同于上述一般影響因素，曲梁橋的曲率半徑、支座間距以及偏心距等參數(shù)同樣會(huì)對(duì)其橫向抗傾覆能力產(chǎn)生影響，下面對(duì)獨(dú)柱墩曲線梁橋影響因素進(jìn)行分析。

3獨(dú)柱墩曲線梁橋影響因素分析

3.1不同支座間距下的獨(dú)柱墩梁橋橫向抗傾覆性能

獨(dú)柱墩曲線梁橋的外側(cè)抗傾覆性能一般低于內(nèi)側(cè)抗傾覆性能，故本文有關(guān)彎橋的抗傾覆性能要求都是施加外側(cè)車(chē)輛偏載。具體的支座編號(hào)、偏載布置及相關(guān)參數(shù)設(shè)置如圖2所示。

本節(jié)研究不同支座間距下的橋梁橫向抗傾覆性能，支座布置如圖2（b）所示。分別取聯(lián)端支座間距為：3.7 m、4.1 m、4.5 m、4.9 m、5.3 m。

由《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》（JTG 3362-2018）的規(guī)定，箱梁梁體傾覆過(guò)程存在“梁體原有單向受壓支座開(kāi)始出現(xiàn)零外力狀態(tài)”（特征狀態(tài)一）和“抗扭轉(zhuǎn)支撐體系全部失效”（特征狀態(tài)二）兩個(gè)特征狀態(tài)［11］，因此本文將針對(duì)這兩個(gè)特征狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)驗(yàn)算。不同支座間距下各支座特征狀態(tài)一的支反力驗(yàn)算結(jié)果如表2及圖3（a）所示，特征狀態(tài)二的安全系數(shù)驗(yàn)算結(jié)果如圖3（b）所示。

由表2驗(yàn)算結(jié)果可知，隨之支座間距的增大，聯(lián)端外側(cè)支座支反力降低，聯(lián)端內(nèi)側(cè)最不利支座的支反力增大，兩側(cè)支座受力，表明兩側(cè)支座受力隨著支座間距的增大而受力更加均勻，這對(duì)于增強(qiáng)主梁的橫向抗傾覆能力有利。對(duì)比不同支座間距下的聯(lián)端內(nèi)側(cè)最不利支座的特征狀態(tài)二的安全系數(shù)，也可以看出隨之聯(lián)端支座間距的增大，安全系數(shù)隨之增大，在調(diào)整至合適的支座間距時(shí)，安全系數(shù)可以達(dá)到規(guī)范2.5的要求。

因此，在合適的情況下，加大聯(lián)端雙支座的間距可以有效地提高橋梁的橫向抗傾覆性能。即使橋梁的抗傾覆性能滿足規(guī)范的驗(yàn)算要求，設(shè)計(jì)師也可以合理地調(diào)整聯(lián)端雙支座的間距來(lái)適當(dāng)?shù)靥岣邩蛄旱陌踩禂?shù)，進(jìn)而提高橋梁的抗傾覆性能的安全儲(chǔ)備，使橋梁能夠適應(yīng)更加惡劣的受力情況。

3.2不同支座偏心距下的獨(dú)柱墩梁橋橫向抗傾覆性能

對(duì)于曲線橋梁而言，箱梁外側(cè)弧長(zhǎng)大于內(nèi)側(cè)弧長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)的重心并不位于橋梁中軸線上，這使得曲線橋即使并未受車(chē)輛偏心荷載作用，僅在受恒載作用下也會(huì)產(chǎn)生扭矩。因此需要合理設(shè)置中墩單支座的偏心距使聯(lián)端內(nèi)外兩側(cè)抗傾覆性能相近，使橋梁結(jié)構(gòu)在恒載和活載的組合作用下不發(fā)生支座脫空和橋梁側(cè)翻事故。

依次設(shè)置中墩單支座偏心距x為0.4 m、0.2 m、-0.1 m、-0.2 m。當(dāng)中墩單支座位于橋梁中心線內(nèi)側(cè)時(shí)x取負(fù)值，位于橋梁中心線外側(cè)時(shí)x取正值，支座布置見(jiàn)圖4。分析不同中墩單支座偏心狀態(tài)下的獨(dú)柱墩梁橋橫向抗傾覆性能的影響，相應(yīng)各支座特征狀態(tài)一的支座反力驗(yàn)算結(jié)果如表3及圖5所示，特征狀態(tài)二的安全系數(shù)驗(yàn)算結(jié)果如圖6所示。

如表3所示，隨著中墩單支座向外側(cè)偏移，聯(lián)端外側(cè)支座反力降低而內(nèi)側(cè)支座反力增大，內(nèi)側(cè)支座與外側(cè)支座反力的比值由x=0 m時(shí)的0.19增大至x=0.4 m時(shí)的0.65，在保證了聯(lián)端支座的抗傾覆性能的前提下，提升了聯(lián)端內(nèi)側(cè)支座的抗傾覆性能，使得內(nèi)外兩側(cè)的抗傾覆性能更為均衡。

將聯(lián)端雙支座的支座反力隨著中墩支座偏心距的變化圖繪制于折線圖5。由圖5可得聯(lián)端雙支座的最不利支座反力隨著單支座偏心距大致呈線性變化。隨著中墩單支座向內(nèi)側(cè)偏移，聯(lián)端外側(cè)支座支反力增大而內(nèi)側(cè)支反力降低，當(dāng)偏心距x=-0.2 m時(shí)，聯(lián)端內(nèi)側(cè)支座支反力為負(fù)值，發(fā)生脫空。由此可見(jiàn)，中墩單支座的向內(nèi)偏移會(huì)加劇梁體的橫向扭轉(zhuǎn)，減弱內(nèi)側(cè)支座的受力性能，從而使得最不利支座更容易發(fā)生傾覆過(guò)程中的特征狀態(tài)一。

聯(lián)端內(nèi)側(cè)最不利支座的特征狀態(tài)二安全系數(shù)如表4及圖6所示，隨著支座偏心距向著主梁外側(cè)增大，安全系數(shù)隨之增大，當(dāng)支座外側(cè)偏心距達(dá)到0.4 m時(shí)，驗(yàn)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。隨著支座偏心距向著內(nèi)側(cè)增大，安全系數(shù)逐漸減小，當(dāng)支座偏心距為-0.2 m時(shí)，4-2支座的安全系數(shù)＜1，支座失效。

通過(guò)以上特征狀態(tài)一的驗(yàn)算結(jié)果可知，彎橋在受到最不利外側(cè)偏載作用時(shí)，通過(guò)將中墩單支座適當(dāng)向外側(cè)偏移可以使聯(lián)端雙支座的受力更加均勻，增強(qiáng)最不利支座的抗傾覆性能。

3.3不同曲率半徑下的獨(dú)柱墩梁橋橫向抗傾覆性能

本節(jié)沿用跨徑3×20 m、支座間距3.7 m、中墩支座無(wú)偏心的參數(shù)，僅改變曲線梁橋的曲率半徑，通過(guò)驗(yàn)算特征狀態(tài)一支座反力和特征狀態(tài)二安全系數(shù)來(lái)分析曲率半徑對(duì)曲線梁橋的影響，采用的模型曲率半徑R分別為50 m、100 m、200 m、500 m、1 000 m、+∞（直線橋）。

由表5可知，不同曲率半徑下的支座反力都滿足規(guī)范特征狀態(tài)一的驗(yàn)算要求。隨著曲率半徑的增大，聯(lián)端內(nèi)側(cè)最不利支座的支座反力逐漸增大，外側(cè)支座支反力逐漸降低，但曲率半徑對(duì)梁體抗傾覆的影響主要在于傾覆軸線與抗傾覆力臂的變化。由表6和圖7可知，曲率半徑較小時(shí)，內(nèi)側(cè)支座與傾覆軸線之間的力臂較大，聯(lián)端內(nèi)側(cè)支座的安全系數(shù)保持在較高的數(shù)值，隨著曲率半徑的增大，內(nèi)側(cè)支座與傾覆軸線之間的力臂隨之減小，抗傾覆面積矩減小，活載面積矩增大，梁體的抗傾覆能力與安全系數(shù)開(kāi)始降低。由上述分析也可以發(fā)現(xiàn)，曲線梁橋存在一個(gè)臨界曲率半徑，此時(shí)受到傾覆軸線的影響，梁體抗傾覆面積矩與傾覆面積矩的比值達(dá)到最小值，也使得特征狀態(tài)二的安全系數(shù)達(dá)到最小值，當(dāng)曲率半徑由臨界值繼續(xù)增大時(shí)，抗傾覆荷載與傾覆荷載的面積矩之比重新開(kāi)始增大，安全系數(shù)也隨之開(kāi)始增大，因此當(dāng)曲率半徑較小或較大（直線橋）時(shí)，橋梁的抗傾覆性能也相對(duì)較高。

4結(jié)語(yǔ)

本文基于工程實(shí)例，討論了預(yù)應(yīng)力、支座沉降以及獨(dú)柱墩曲線梁橋的曲率、支座間距、中墩偏心距對(duì)于其橫向抗傾覆性能的影響。結(jié)論如下：

（1）預(yù)應(yīng)力通過(guò)影響支反力來(lái)影響?yīng)氈樟簶虻臋M向抗傾覆受力性能，支座沉降也會(huì)對(duì)獨(dú)柱墩梁橋橫向抗傾覆性能造成一定削弱。

（2）提高兩端雙支座間距，能較好地提高獨(dú)柱墩梁橋的橫向抗傾覆性能。適度地將中墩單支座偏心向外側(cè)移動(dòng)，能較好地改善聯(lián)端雙支座的受力特征，并且提高獨(dú)柱墩橋梁橫向抗傾覆性能。

（3）曲率的增大會(huì)使主梁聯(lián)端內(nèi)側(cè)支座的支座反力減小，從而使其支座脫空的幾率增大。曲率半徑越小，越有利于提高獨(dú)柱墩梁橋的橫向抗傾覆性能。

參考文獻(xiàn)：

［1］彭衛(wèi)兵，潘若丹，馬俊，等.獨(dú)柱墩梁橋傾覆破壞模式與計(jì)算方法研究［J］.橋梁建設(shè)，2016，46（2）：25-30.

［2］彭衛(wèi)兵，徐文濤，陳光軍，等.獨(dú)柱墩梁橋抗傾覆承載力計(jì)算方法［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2015，28（3）：66-72.

［3］王兵見(jiàn)，趙航，張豪，等.獨(dú)柱墩梁橋橫向穩(wěn)定計(jì)算理論與驗(yàn)證［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2017，30（9）：93-100.

［4］Weibing P，Hang Z，F(xiàn)ei D，et al.Analytical Method for Overturning Limit Analysis of Single-Column Pier Bridges［J］.Journal of Performance of Constructed Facilities，2017，31（4）：0 000 999.

［5］Philip Chen C L，Zhang C.Data-intensive applications，challenges，techniques and technologies：A survey on Big Data［J］.Information Sciences，2014（275）：314-347.

［6］彭衛(wèi)兵，程波，史賢豪，等.獨(dú)柱墩梁橋傾覆破壞機(jī)理研究［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2014，23（5）：98-106.

［7］Xuefei S，Zhen C，Haiying M，et al.Failure Analysis on a Curved Girder Bridge Collapse under Eccentric Heavy Vehicles Using Explicit Finite Element Method：Case Study［J］.Journal of Bridge Engineering，2018，23（3）：0 001 201.

［8］Xuefei S，Zijie Z，Xin R.Failure Analysis of a Girder Bridge Collapse under Eccentric Heavy Vehicles［J］.Journal of Bridge Engineering，2016，21（12）：05 016 009.

［9］周子杰，阮欣，石雪飛.梁橋橫向穩(wěn)定驗(yàn)算中傾覆軸的選取［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，32（5）：907-910.

［10］曹景，劉志才，馮希訓(xùn).箱形截面直線橋及曲線橋抗傾覆穩(wěn)定性分析［J］.橋梁建設(shè)，2014，44（3）：69-74.

作者簡(jiǎn)介：楊珊（1991—），碩士，工程師，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究工作。