獨(dú)柱墩橋梁橫向抗傾覆性影響因素研究

安海濤

(河北交規(guī)院瑞志交通技術(shù)咨詢(xún)有限公司 石家莊市 050091)

0 引言

近年來(lái),獨(dú)柱墩橋梁傾覆事故引起行業(yè)高度重視。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆性問(wèn)題進(jìn)行了大量研究。劉鵬通過(guò)建立獨(dú)柱曲線(xiàn)梁橋有限元模型,對(duì)橋梁傾覆參數(shù)的敏感性進(jìn)行分析[1];虢玉標(biāo)等通過(guò)建立多個(gè)有限元模型,探究平曲線(xiàn)半徑、支座橫向間距和邊中跨比等因素對(duì)橋型抗傾覆穩(wěn)定性的影響規(guī)律[2];曹愛(ài)虎采用Midas Civil Designer有限元模型研究獨(dú)柱墩箱梁橋抗傾覆設(shè)計(jì)的主要影響因素及防治措施[3];劉四田采用實(shí)體塊單元橋梁計(jì)算程序分別對(duì)直橋和彎橋進(jìn)行計(jì)算,探討其抗傾覆能力及傾覆荷載[4];張振濤等基于橋?qū)捙c支座間距之比提出橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化、中墩支撐偏心距調(diào)整、增設(shè)上下部結(jié)構(gòu)連接裝置等抗傾覆加固措施[5];邢心魁等探討了合理的橋?qū)捙c支座間距比值和中墩支座預(yù)偏心對(duì)改善聯(lián)端支座不均勻受力的效果[6]。文章主要對(duì)梁端支座間距與梁寬之比進(jìn)行深入剖析,采用有限元軟件研究其對(duì)獨(dú)柱墩橋梁橫向抗傾覆性的影響,以期為獨(dú)柱墩橋梁的設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)中的傾覆性判斷提供研究依據(jù)。

1 概述

獨(dú)柱墩橋梁因外觀簡(jiǎn)潔、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、節(jié)約土地資源等優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于高速公路匝道橋及市政立交橋。現(xiàn)有研究主要集中在對(duì)抗傾覆性影響因素的研究,對(duì)具體影響因素進(jìn)行詳細(xì)分析的成果較少。文章以3m×25m鋼筋混凝土直線(xiàn)梁橋?yàn)槔?建立有限元模型,分析不同梁寬下梁端雙支座間距與梁寬之比對(duì)獨(dú)柱墩橋梁橫向抗傾覆性的影響,進(jìn)而確定合理的梁端支座間距與梁寬之比。

2 計(jì)算模型

文章選取三種常用的梁寬對(duì)多跨直線(xiàn)橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析。上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土連續(xù)箱梁,跨徑為3m×25m,荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí),箱梁寬度分別為8.5m、9.5m和10.5m,梁高為1.4m;下部結(jié)構(gòu)橋墩為柱式墩,樁基礎(chǔ),其中2號(hào)墩、3號(hào)墩為獨(dú)柱墩,1號(hào)墩、4號(hào)墩為雙柱式墩(無(wú)蓋梁),支座布置如圖1所示。

圖1 箱梁支座平面布置示意圖

文章采用Midas Civil有限元軟件對(duì)箱梁進(jìn)行建模計(jì)算,計(jì)算時(shí)考慮恒載、活載、溫度、收縮徐變、支座沉降等因素,運(yùn)用Midas Civil Designer對(duì)獨(dú)柱墩橋梁進(jìn)行抗傾覆性驗(yàn)算。

3 抗傾覆驗(yàn)算理論

3.1 基本原理

橋體橫向傾覆失穩(wěn)直至垮塌的破壞過(guò)程表現(xiàn)為單向受壓支座脫離正常受壓狀態(tài),上部結(jié)構(gòu)的支承體系不再提供有效約束,上部結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形,橫向失穩(wěn)垮塌,支座、下部結(jié)構(gòu)連帶損壞,具體見(jiàn)圖2。

圖2 典型破壞過(guò)程

傾覆過(guò)程存在2個(gè)明確特征狀態(tài):在特征狀態(tài)1下,箱梁的單向受壓支座開(kāi)始脫離受壓;在特征狀態(tài)2下,箱梁的抗扭支承全部失效。參考相關(guān)規(guī)范,采用上述2個(gè)特征狀態(tài)作為抗傾覆驗(yàn)算工況。

(1)針對(duì)特征狀態(tài)1,作用基本組合下,箱梁橋的單向受壓支座處于受壓狀態(tài)。

(2)箱梁橋同一橋墩的一對(duì)雙支座構(gòu)成一個(gè)抗扭支承,起到對(duì)扭矩和扭轉(zhuǎn)變形的雙重約束作用。當(dāng)雙支座中一個(gè)支座豎向力失效后,另一個(gè)有效支座僅起到對(duì)扭矩的約束作用,失去對(duì)扭轉(zhuǎn)變形的約束。當(dāng)箱梁的抗扭支承全部失效時(shí),箱梁處于受力平衡或扭轉(zhuǎn)變形失效的極限狀態(tài),即達(dá)到特征狀態(tài)2。對(duì)于特征狀態(tài)2,參考擋土墻、剛性基礎(chǔ)的橫向傾覆驗(yàn)算,采用“穩(wěn)定作用效應(yīng)≥穩(wěn)定性系數(shù)×失穩(wěn)作用效應(yīng)”表達(dá)式。

3.2 最不利反力法

最不利反力法以支座出現(xiàn)最不利反力的荷載工況為判據(jù),求得該工況下全聯(lián)橋梁的支座并發(fā)反力,據(jù)此進(jìn)行支座脫壓驗(yàn)算和結(jié)構(gòu)傾覆驗(yàn)算。

判斷支座脫壓驗(yàn)算是否通過(guò)的判據(jù)是:在作用基本組合下,各支座支反力滿(mǎn)足Fz≥0。判斷結(jié)構(gòu)傾覆驗(yàn)算是否通過(guò)的判據(jù)是:結(jié)構(gòu)在最不利支座反力控制下,橫橋向傾覆穩(wěn)定系數(shù)≥2.5。

4 梁端支座間距與梁寬之比對(duì)抗傾覆性的影響分析

為進(jìn)一步研究梁端支座間距與梁寬之比對(duì)抗傾覆性的影響,采用8.5m、9.5m、10.5m三種箱梁寬度分析不同梁端支座間距下橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性,得出梁端支座間距與梁寬之比對(duì)抗傾覆性的影響規(guī)律。

4.1 箱梁寬度8.5m

建立梁端支座間距為2m、3m、4m、5m、6m、7m、8.5m的有限元模型,分析箱梁寬度為8.5m時(shí)不同梁端支座間距下的抗傾覆性能。在作用基本組合下,結(jié)構(gòu)支座反力如表1所示。

表1 支座反力統(tǒng)計(jì)1 單位：kN

在最不利荷載組合下,結(jié)構(gòu)橫橋向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)如表2所示。

表2 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)統(tǒng)計(jì)1

由表1和表2可知:(1)隨著梁端支座間距增加,最不利支座(1-1,4-1)逐漸從受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)為受壓狀態(tài),且支座反力逐漸增加。(2)隨著梁端支座間距增加,梁端內(nèi)外側(cè)兩支座的反力差逐漸減小。(3)隨著梁端支座間距的增加,最不利支座(1-1,4-1)的抗傾覆系數(shù)逐漸增加。

4.2 箱梁寬度9.5m

建立梁端支座間距為3m、4m、5m、6m、7m、8m、9.5m的有限元模型,分析箱梁寬度為9.5m時(shí)不同梁端支座間距下的抗傾覆性能。在作用基本組合下,結(jié)構(gòu)支座反力如表3所示。

表3 支座反力統(tǒng)計(jì)2 單位：kN

在最不利荷載組合下,結(jié)構(gòu)橫橋向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)如表4所示。

表4 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)統(tǒng)計(jì)2

由表3和表4數(shù)據(jù)可知,箱梁寬度為9.5m與箱梁寬度為8.5m時(shí)的規(guī)律一致。

4.3 箱梁寬度10.5m

建立梁端支座間距為4m、5m、6m、7m、8m、9m、10.5m的有限元模型,分析箱梁寬度為10.5m時(shí)不同梁端支座間距下的抗傾覆性能。在作用基本組合下,結(jié)構(gòu)支座反力如表5所示。

表5 支座反力統(tǒng)計(jì)3 單位：kN

在最不利荷載組合下,結(jié)構(gòu)橫橋向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)如表6所示。

表6 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)統(tǒng)計(jì)3

由表5～表6數(shù)據(jù)可知,箱梁寬度為10.5m與箱梁寬度為8.5m時(shí)的規(guī)律一致。

4.4 結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)比分析,可知梁端支座間距對(duì)橋梁抗傾覆性能的影響規(guī)律,但不同梁寬對(duì)橋梁的抗傾覆影響大小不一,在此主要對(duì)三種梁寬下梁端支座間距與梁寬之比對(duì)橋梁抗傾覆性能的影響進(jìn)行研究,最終得出合適的梁端支座與梁寬之比。

梁端支座間距與梁寬之比固定時(shí),在基本組合下,結(jié)構(gòu)最小支座反力如圖3所示。

圖3 最小支座反力隨梁端支座間距與梁寬之比變化曲線(xiàn)

從圖3可以看出,隨著梁端支座間距與梁寬之比的增大,最小支座反力的變化呈正相關(guān),且梁端支座間距與梁寬之比大于0.4時(shí),支座脫空驗(yàn)算滿(mǎn)足規(guī)范要求。

梁端支座間距與梁寬之比固定時(shí),在最不利荷載組合下,結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)見(jiàn)圖4。

圖4 抗傾覆系數(shù)隨梁端支座間距與梁寬之比變化曲線(xiàn)

從圖4可以看出,隨著梁端支座間距與梁寬之比的增大,抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的變化呈正相關(guān),且梁端支座間距與梁寬之比大于0.6時(shí),抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均大于2.5,滿(mǎn)足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

(1)梁寬確定時(shí),梁端支座間距與梁寬之比增大,最小支座反力隨之增大,抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)基本呈線(xiàn)性增大關(guān)系。

(2)針對(duì)3孔連續(xù)箱梁,橋墩為獨(dú)柱墩的橋梁,梁端支座間距與梁寬之比大于0.6時(shí),抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)和支座脫空驗(yàn)算均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

(3)當(dāng)梁端支座間距與梁寬之比確定時(shí),隨著梁寬增加,最小支座反力隨之增大。

(4)實(shí)際工程中,可適當(dāng)增大梁端支座間距與梁寬之比來(lái)提高梁體的抗傾覆性能。