考虑梁体横向侧移的独柱墩桥梁抗倾覆稳定性分析

高翔宇， 任伟新

(合肥工业大学 土木与水利工程学院， 安徽 合肥　230009)



考虑梁体横向侧移的独柱墩桥梁抗倾覆稳定性分析

高翔宇， 任伟新

(合肥工业大学 土木与水利工程学院， 安徽 合肥230009)

摘要：基于某独柱墩多跨连续梁桥实例，研究了该类桥梁在梁体发生横向侧移时的抗倾覆稳定性。讨论了支座间距、双支座个数及曲线半径三个因素对独柱墩桥梁抗倾覆稳定性的影响。得出的结论可为独柱墩桥梁的抗倾覆稳定设计工作提供指导。

关键词：横向侧移； 独柱墩桥梁； 抗倾覆稳定性

0引言

受地形、地物、占地面积、城市景观等因素的影响，城市立交桥、高架桥以及高速公路匝道桥常采用独柱支承[1]。独柱墩墩顶横桥向宽度有限，导致设置双支座时横向间距小，有时只能采用单个支座支承，桥梁的抗倾覆稳定性较差[2]。目前的研究很少考虑梁体侧移对独柱墩桥梁抗倾覆稳定性的影响[3，4]，而桥梁在运营过程中受到种种因素(比如温度效应)的作用，梁体会发生横向位移[5]。考虑到横向位移的存在，独柱墩桥梁在汽车超重偏载的作用下极易发生倾覆。因此，研究梁体发生横向侧移的独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性具有重要意义。本文选取某互通式立交桥，对其有代表性的一联独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性进行了计算分析，然后以此为基础，通过设置不同的侧移量、不同个数的双支座、支座间距和曲线半径进行对比计算分析，得出了一些有意义的结论，可对正在运营的独柱墩桥梁抗倾覆分析及以后类似桥梁的抗倾覆稳定设计提供指导。

1抗倾覆稳定系数计算方法及工况设置

《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2012)讨论稿(以下简称《讨论稿》)中规定，采用整体式断面的中小跨径梁桥应进行上部结构抗倾覆验算，抗倾覆稳定系数应不小于2.5，并给出了相应的计算公式。

(1)

式中：γqf为抗倾覆稳定系数；Sbk为使上部结构稳定的作用效应标准组合；Ssk为使上部结构倾覆的汽车荷载标准值效应。

对于直线桥，抗倾覆稳定系数定义如下：

(2)

式中：RGi为支座反力；μ为冲击系数；qk为车道荷载中均布荷载；Pk为车道荷载中集中荷载；l为桥梁跨径，xi为各支座到倾覆轴线的垂直距离；e为横向最不利车道位置到倾覆轴线的垂直距离。

对于曲线桥，抗倾覆稳定系数定义如下：

(3)

其中，Ω为倾覆轴线与横向加载车道围成的面积，其他同上。

桥梁倾覆示意图见图1。

图1　桥梁倾覆示意

合肥市五里墩立交桥是独柱支承的梁式桥，由于其部分匝道某些联发生了较大的横向侧移及其他破损，于2014年进行了加固维修。维修之前，其支座间距为0.7 m，维修后对支座进行了更换，且支座间距调整为1.8 m，支座布置见图2。现取其A3匝道某联(2×20+4×25)m现浇连续箱梁对其抗倾覆稳定状况进行分析，并讨论不同参数对梁体发生侧移的独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性的影响。

图2桥梁支座布置

荷载工况考虑箱梁自重及汽车荷载(含冲击作用)，荷载值均为规范规定的标准值。考虑不同偏载(见图3)作用下桥梁的倾覆状况，设置以下3种汽车荷载工况并在此基础上进行荷载组合。

工况1：《公路桥涵设计通用规范》中公路-I级车道荷载，为标准设计荷载，布置外侧一个车道。

工况2：1.5倍公路-I级车道荷载，布置外侧一个车道。

工况3：2.0倍公路-I级车道荷载，布置外侧一个车道。

图3　偏载加载布置(单位： m)

2抗倾覆稳定性影响因素

2.1支座间距

桥梁为直桥，中间墩柱及桥台都是双支座支承，支座间距分别为0.7、 1.2、 1.8 m。对于直桥，定义加载车道荷载的一侧为外侧，梁体向外侧发生侧移，倾覆轴线为箱梁桥中心线外侧桥台支座连线。有限元计算结果如表1、图4所示。

表1 不同支座间距时1#墩内侧支座最小支反力支座间距/m支反力/kN梁未发生侧移梁发生100mm侧移自重工况1工况2工况3自重工况1工况2工况30.7456.9327.0262.1197.1414.6278.3210.1142.01.2456.9343.9287.3230.8424.6299.9240.6181.31.8456.9364.7318.6272.5423.4326.7278.3229.9 注:因支反力数据较多,仅列出最易脱空的1#墩内侧支座支反力,下同。

图4　不同支座间距时桥梁抗倾覆稳定系数计算结果

从表1及图4可以看出，支座间距为0.7 m时，在各工况荷载作用下，梁未发生侧移及发生100 mm横向侧移时支座均未出现负反力，满足《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)中支座不得脱空的规定[6，7]；但桥梁的抗倾覆稳定系数均小于2.5，不满足《讨论稿》关于抗倾覆稳定性的要求。支座间距增大为1.8 m后，在工况1、2荷载作用下，桥梁抗倾覆稳定系数满足要求，在工况3荷载作用下，梁发生100 mm侧移时其抗倾覆稳定系数已小于2.5，不满足要求。经计算分析，随着桥梁所受荷载的增大和梁体横向侧移值的增加，独柱墩桥梁的抗倾覆稳定系数减小，抗倾覆稳定性降低。增大支座间距可以降低梁体侧移对独柱墩桥梁抗倾覆稳定性的不利影响，提高独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性。

2.2双支座个数

桥梁为直桥，中间墩柱分别设置1个、3个及5个双支座，桥台为双支座，支座间距均为1.8 m。有限元计算结果如表2、图5所示。

表2 不同双支座个数时1#墩内侧支座最小支反力双支个数支反力/kN梁未发生侧移梁发生100mm侧移自重工况1工况2工况3自重工况1工况2工况31464.1268.8171.273.6406.3192.987.4-18.13468.8309.3229.6149.9421.2253.8170.186.45456.9364.7318.6272.5423.4326.7278.3229.9

图5　不同双支座个数时桥梁抗倾覆稳定系数计算结果

根据表2及图5可知，设置不同个数双支座的桥梁，梁体发生横向侧移时，其抗倾覆稳定系数减小。对比图4可知，设置少数间距大的双支座比全部采用间距较小的双支座对桥梁的抗倾覆稳定性更为有利。中间墩柱支座间距一定时，增加双支座的个数对抗倾覆稳定系数的提升作用较小，但是增加双支座的个数有利于支反力的合理分布。在工况3作用下，不同个数双支座桥梁的抗倾覆稳定系数均减小至2.5以下，梁体发生100 mm横向侧移后，设置1个双支座的桥梁已经出现支座脱空，而设置5组双支座的桥梁支座离脱空仍有很大的富余。经计算分析，增加中间墩柱双支座的个数，可以提高梁体发生侧移的独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性。

2.3曲线半径

桥梁为弯桥，曲线半径分别为90、 150、 250 m，桥梁中间墩柱设置2组双支座，支座间距与边支座间距相同，均为1.8 m。对于弯桥，定义曲线凸侧为外侧，凹侧为内侧，车道荷载加载在外侧车道，梁体向外侧发生侧移。有限元计算结果如表3、图6所示。

表3 不同曲线半径时1#墩内侧支座最小支反力半径/m支反力/kN梁未发生侧移梁发生100mm侧移自重工况1工况2工况3自重工况1工况2工况390428.5257.9172.787.4385.0206.3117.027.6150444.6275.9191.5107.1396.3218.7129.941.1250454.6287.2203.5119.8404.8229.1141.253.3

图6　不同曲线半径时桥梁抗倾覆稳定系数计算结果

根据表3及图6可知，对不同半径的桥梁，承受相同的荷载时，梁体发生横向侧移后独柱墩桥梁的抗倾覆稳定系数减小，边支座支反力减小，抗倾覆稳定性降低。图6b表明，随着荷载的增大，弯桥的抗倾覆稳定系数随之减小，但在工况3的作用下，梁体发生100 mm侧移后，桥梁的抗倾覆稳定系数仍大于2.5。对比直线桥的计算结果，可知在梁体发生侧移后，曲线半径小的独柱墩弯桥比直线桥或半径较大的桥更易出现边支座脱空，但由于小半径弯桥的支座位于稳定的平面上，而直桥或大半

径弯桥，其支座位于一条直线上，因此小半径弯桥的抗倾覆稳定系数更大，具有更好的抗倾覆稳定性。

3结论

本文通过对梁体发生侧移的独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性进行计算分析，得出以下结论：

1) 随着荷载和梁体侧移值的增大，独柱墩桥梁抗倾覆稳定系数减小，边支座支反力减小，桥梁发生倾覆的风险增加。

2) 增大支座间距可以降低梁体侧移对独柱墩桥梁抗倾覆稳定性的不利影响，提高独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性；中间墩柱支座间距一定时，增加双支座的个数对抗倾覆稳定系数的提升作用较小，但可使支反力的分布更均匀，对降低梁体发生侧移的独柱墩桥梁的倾覆风险有一定作用。

3) 小半径独柱墩弯桥比直桥或大半径弯桥更易出现边支座脱空现象，但小半径独柱墩弯桥具有较大的抗倾覆稳定系数。建议进行独柱墩弯桥设计时，综合考虑前述两种因素，通过计算分析确定合理的曲线半径。

4) 设置少数间距大的双支座比全部采用间距较小的双支座对桥梁的抗倾覆稳定性更为有利。建议在使用独柱墩支承时将桥台及部分中墩设置为双支座形式，并尽可能增大支座间距。

参考文献：

[1] 吴玉华，蔡若红，杨育人.独柱墩连续梁桥的稳定影响因素分析[J].公路工程，2011(6)：93-96，106.

[2] 危强，张杰.独柱墩桥梁的安全风险分析[J].公路，2014(6)：105-108.

[3] 梁峰.三跨独柱连续梁桥抗倾覆能力研究[J].公路，2009(10)：40-43.

[4] 庄冬利.偏载作用下箱梁桥抗倾覆稳定问题的探讨[J].桥梁建设，2014，44(2)：27-31.

[5] 张玥.钢筋混凝土连续曲线箱梁桥温度变形研究[D].西安：长安大学，2004.

[6] JTGD60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[7] JTGD62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

中图分类号：U 448.21

文献标识码：A

文章编号：1008-844X(2016)01-0087-03