独柱墩连续弯梁桥抗倾覆稳定影响因素分析∗

殷新锋，杨小旺，丰锦铭，李莱

（长沙理工大学土木与建筑学院，湖南　长沙　410004）

独柱墩连续弯梁桥抗倾覆稳定影响因素分析∗

殷新锋，杨小旺，丰锦铭，李莱

（长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙410004）

以某独柱墩三跨连续弯箱梁桥为背景，采用有限元软件建立不同参数弯桥分析模型，分析了曲率半径、桥梁跨数、梁端双支座间距等因素对弯梁桥抗倾覆稳定性的影响。结果表明，曲率半径、桥梁长度和梁端双支座间距对弯梁桥抗倾覆稳定性影响很大，增加曲率半径、桥梁跨数和梁端双支座间距可减小弯梁桥发生整体倾覆的可能，提高桥梁抗倾覆能力。

桥梁；独柱墩；连续弯梁桥；曲率半径；桥梁跨数；梁端双支座间距

独柱墩连续弯梁桥因其桥下占用空间小、整体结构美观、能很好地适应地形限制、保持路线线形流畅的特点而被广泛应用于城市高架桥梁和高速公路匝道桥梁。但由于独柱墩通常只设置单支座，在汽车偏载作用下，对桥梁结构的横桥向抗倾覆稳定性非常不利。近年国内发生了多起弯梁桥倾覆事故， 如2009年7月津晋高速公路港塘收费站外连续独柱墩匝道桥因3辆严重超载车辆为避让前方逆行车辆而偏离行车道密集停置导致桥梁倾覆，2015年6月粤赣高速公路广州往河源方向城南出口连续独柱墩匝道桥因车辆载重过大使桥面受力严重偏向曲线外侧而导致桥梁倾覆，这些事故的出现引起了很多桥梁工作者的关注。徐振、任艾柱等釆用有限元程序建立虚拟场景模拟桥梁倾覆，对倾覆桥梁的内力和位移进行了研究；刘德华等分析了支座预偏心对曲线箱梁端部内外侧支座反力分配的影响；Bryant G.Nielson研究了地震激励下桥梁支座的受力机制与响应特性。以上研究尚未对曲率半径、桥梁长度和梁端双支座间距对弯梁桥抗倾覆稳定性能的影响作系统总结。该文以某高速公路三跨独柱墩弯梁桥为工程背景，分别建立不同曲率半径和不同跨数弯桥有限元模型，并调整弯梁桥梁端双支座间距，计算这些桥型的抗倾覆稳定系数，为独柱墩连续弯梁桥设计提供参考。

1　桥梁抗倾覆计算依据

箱梁桥倾覆过程是在汽车荷载的偏载作用下，单向受压支座依次脱空，由边界条件失效而失去平衡的过程。

《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（征求意见稿）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，上部结构抗倾覆稳定系数应满足下式要求：

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

倾覆轴线为汽车荷载作用下结构发生倾覆时绕支点的旋转轴线。对弯桥来说，倾覆轴线随曲线半径和桥梁跨径不同而变化，选择不同的支点连线，可能有不同的倾覆轴线。当跨中桥墩全部支座位于桥台外侧支座连线内侧时，倾覆轴线为桥台外侧支座连线；当跨中桥墩全部支座位于桥台外侧支座连线外侧时，倾覆轴线为跨中桥墩支座连线或外侧桥台支座与跨中桥墩支座连线。箱梁的抗倾覆稳定系数的计算公式如下：

式中：RGi为成桥状态时各支座的支反力；xi为各支座到倾覆轴线的垂直距离；μ为桥梁结构冲击系数； qk为公路-Ⅰ级车道荷载中均布荷载；Ω为倾覆轴线与横向加载车道围成的面积；pk为车道荷载中集中荷载；e为横向最不利加载车道到倾覆轴线垂直距离的最大值。

冲击系数参照JTG D60-2004《公路桥涵设计通用规范》，采用有限元软件计算桥梁基频后得到。计算公式如下：

式中：f为箱梁桥的固有振动频率（Hz）。

2　有限元模型的建立

以跨径（20+25+20）m、曲率半径R=400 m、梁端双支座间距为5 m的独柱墩弯梁桥为工程背景进行分析。该桥为等截面预应力砼连续箱梁桥，梁高1.5 m，桥面宽度12 m，箱梁底宽7.5 m。图1为该桥跨中横断面示意图。

图1　某独柱墩弯梁桥跨中截面横断面（单位：m）

采用结构分析软件MIDAS/Civil分别建立固定跨数（20+25+20）m下不同曲率半径R=50、100、200、400 m和固定曲率半径400 m下不同跨数（20+2×25+20、20+3×25+20、20+4×25+20、20+5×25+20）m连续弯梁桥有限元模型（见图2 ～3），通过调整梁端双支座间距，对比分析曲率半径、桥梁长度、梁端双支座间距等因素对弯梁桥抗倾覆稳定性的影响。

图2　固定跨数时不同曲率半径连续弯梁桥计算模型

图3　固定曲率半径时不同跨数连续弯梁桥计算模型

计算中考虑恒载、支座不均匀沉降、温度和活载的作用。荷载参数取值如下：

（1）恒载。砼容重26 k N/m3，桥面铺装8～15 cm，单侧护栏每延米重10.5 k N/m。

（2）支座不均匀沉降按8 mm计算。

（3）温度荷载按JTG D60-2004《公路桥涵设计通用规范》规定计算。

（4）活载。为公路-Ⅰ级双车道荷载，按照JTG D60-2004《公路桥涵设计通用规范》规定采用横向最不利偏外侧加载，倾覆最不利加载车道中心线距桥梁曲线外侧边缘1.9 m。

3　抗倾覆稳定影响因素分析

3.1曲率半径的影响

以跨径（20+25+20）m、曲率半径R=400 m、梁端双支座间距5 m的某独柱墩弯梁桥为例，通过调整曲率半径（R=50、100、200、400 m）来分析其对弯梁桥抗倾覆稳定性的影响。

3.1.1冲击系数计算

不同曲率半径弯梁桥的冲击系数见表1。

表1　不同曲率半径弯梁桥的冲击系数

3.1.2最不利倾覆加载范围面积计算

不同曲率半径桥梁最不利倾覆加载影响范围见图4中阴影部分，倾覆面积与偏心距见表2。

3.1.3抗倾覆稳定系数计算

不同曲率半径连续弯梁桥倾覆计算参数见表3 ～4，抗倾覆稳定系数计算结果见表5，抗倾覆稳定系数与曲率半径的关系见图5。

图4　固定跨数时不同曲率半径连续弯梁桥倾覆范围

表2　不同曲率半径弯梁桥倾覆面积与偏心距

表3　不同曲率半径弯梁桥支座到倾覆轴线的垂直距离m

由表5可知：不同曲率半径桥梁的抗倾覆稳定系数均满足规范要求。

表4　横载作用下不同曲率半径弯梁桥支座反力

表5　不同曲率半径弯梁桥抗倾覆稳定系数计算结果

图5　弯梁桥抗倾覆稳定系数与曲率半径的关系

由图5可知：当曲率半径为50～200 m时，连续弯梁桥抗倾覆稳定系数随曲率半径的增大而逐渐减小；当曲率半径为200～400 m时，连续弯梁桥抗倾覆稳定系数随曲率半径的增大而逐渐增大，曲率半径较大的桥梁抗倾覆能力较强。

3.2跨数的影响

以上述独柱墩弯梁桥为例，通过调整桥梁跨数（20+2×25+20、20+3×25+20、20+4×25+20、20+5×25+20）m来分析其对弯梁桥抗倾覆稳定性的影响。

3.2.1冲击系数计算

不同跨数弯梁桥的冲击系数计算结果见表6。

表6　不同跨数弯梁桥的冲击系数

3.2.2 最不利倾覆加载范围面积计算

不同跨数桥梁最不利倾覆加载影响范围见图6中阴影部分，倾覆面积与偏心距见表7。

图6　固定半径时不同跨数连续弯梁桥倾覆范围

表7　不同跨数弯梁桥倾覆面积与偏心距

3.2.3抗倾覆稳定系数计算

不同跨数桥梁抗倾覆稳定系数计算参数见表8 ～11，不同跨数弯梁桥的抗倾覆稳定系数计算结果见表12，弯梁桥抗倾覆稳定系数与桥梁跨数的关系见图7。

表8　四跨弯梁桥抗倾覆稳定系数计算参数

表10　六跨弯梁桥抗倾覆稳定系数计算参数

表11　七跨弯梁桥抗倾覆稳定系数计算参数

由表12可知：不同跨数弯梁桥的抗倾覆系数均满足规范要求。

表12　不同跨数弯梁桥抗倾覆稳定系数计算结果

图7　弯梁桥抗倾覆稳定系数与跨数的关系

由图7可知：当桥梁跨数为4～7跨时，弯梁桥抗倾覆稳定系数随跨数增多而逐渐增大，跨数较多的桥梁抗倾覆能力较强。

3.3梁端双支座间距的影响

以上述独柱墩弯梁桥为例，通过调整梁端双支座间距（4.5、4、3.5、3 m）来分析其对弯梁桥抗倾覆稳定性的影响。

3.3.1冲击系数计算

不同梁端双支座间距弯梁桥的冲击系数计算结果见表13。

表13　不同梁端双支座间距弯梁桥的冲击系数

3.3.2最不利倾覆加载范围面积计算

不同梁端双支座间距弯梁桥最不利倾覆加载影响范围见图8中阴影部分，倾覆面积与偏心距见表14。

3.3.3抗倾覆稳定系数计算

不同梁端双支座间距弯梁桥抗倾覆稳定系数计算参数见表15，不同梁端双支座间距弯梁桥抗倾覆稳定系数计算结果见表16，弯梁桥抗倾覆稳定系数与梁端双支座间距的关系见图9。

图8　不同梁端双支座间距连续弯梁桥倾覆范围

表14　不同梁端双支座间距弯梁桥倾覆面积与偏心距

由表16可知：当梁端双支座间距为3 m时，弯梁桥的抗倾覆稳定系数不满足规范要求，其他桥型的抗倾覆稳定系数均满足规范要求。

由图9可知：随梁端双支座间距的增大，连续弯梁桥抗倾覆能力逐渐增强，即梁端双支座间距较大的桥梁抗倾覆能力较强。

4　结论与建议

该文以一座三跨连续弯梁桥为工程背景，建立了不同曲率半径和不同跨数弯梁桥有限元模型，通过调整原设计桥型的梁端双支座间距和独柱墩单支座偏心距，分析了影响独柱墩连续弯梁桥抗倾覆稳定性的因素，得出以下结论：

表15　不同梁端双支座间距弯梁桥抗倾覆稳定系数计算参数

表16　不同梁端双支座间距抗倾覆稳定系数计算结果

图9　弯梁桥抗倾覆稳定系数与梁端双支座间距的关系

（1）当曲率半径大于200 m时，相同跨数下独柱墩弯梁桥的抗倾覆能力随着曲率半径的增大而逐渐增强。

（2）当桥梁长度大于90 m时，相同曲率半径下独柱墩弯梁桥的抗倾覆能力随着桥梁跨数的增多而逐渐增强。

（3）在弯梁桥曲率半径和跨数固定的情况下，增大梁端双支座间距可提高桥梁的抗倾覆能力。

对于独柱墩连续弯梁桥，设计人员应仔细进行抗倾覆稳定性验算，必要时可增加曲率半径、桥梁跨数和梁端双支座间距等影响因素验算，以提高连续弯梁桥的抗倾覆能力。

［1］宫玉明.独柱支承连续曲线混凝土箱梁桥的稳定性能及动力特性研究［D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.

［2］张雪灵.独柱墩曲线梁桥的抗倾覆与加固设计研究［D].天津：河北工业大学，2013.

［3］祁志伟.城市连续箱梁桥横向抗倾覆稳定性分析［D].长沙：中南大学，2013.

［4］Zhen Xu，Xin Zheng Lu，Ai Zhu Ren，et al.Simulation of bridge collapse in virtual scene based on finite element analysis［J].Applied Mechanics and Materials， 2011，94-96.

［5］Zhen Xu，Ai Zhu Ren，Xin Zheng Lu.Modeling of bridge collapse in virtual scene based on finite element simulation［J].Applied Mechanics and Materials，2011， 88-89.

［6］刘德华，金伟良，刘斌，等.独柱墩曲线梁桥中的支座分析［J].南京理工大学学报，2006，30（1）.

［7］Nielson B G，Desroches R.Seismic performance assessment of simply supported and continuous multi-span concrete girder highway bridges［J].Journal of Bridge Engineering，2007，12（5）.

［8］JTG D62-20XX，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（征求意见稿）［S].

［9］JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范［S].

［10］周鹏飞，孙绪锋.互通立交独柱支承桥梁稳定性验算分析［J].山东交通科技，2013（1）.

［11］武宏晓.连续独柱墩桥梁抗倾覆安全评价及加固设计方案［J].城市道桥与防洪，2010（4）.

［12］赵阳阳，潘龙文，邵金彬.独柱墩连续梁桥横向安全机理分析［J].公路，2014（8）.

［13］吴宏业.独柱墩桥梁结构安全验算及处理方案探讨［J].北方交通，2014（2）.

［14］宋庆瑞.独柱墩弯桥抗倾覆稳定性分析［J].交通标准化，2014（13）.

［15］赵丽颖.独柱墩弯桥抗倾覆计算与翘曲［J].低温建筑技术，2013（6）.

［16］陈映贞，许肇峰，郭永平.独柱墩连续曲线箱梁桥抗倾覆稳定性研究［J].广东公路交通，2014（1）.

U448.21

A

1671-2668（2016）01-0156-06

2015-10-30

国家自然科学基金项目（51108045）；湖南省高校创新平台开放基金项目（13k051）