曲线半径大小对独柱墩箱梁抗倾覆稳定性的影响分析

2018-04-04夏良杰

价值工程 2018年10期

夏良杰

摘要：鉴于国内独柱墩桥梁因横向抗倾覆安全性不足导致的结构安全事故时有发生，为了研究曲线半径大小对独柱墩桥梁抗倾覆稳定性的影响，结合实际工程实践，利用MIDAS/Civil 2017建立空间杆系有限元模型分析对比不同曲线半径对独柱墩箱梁抗倾覆稳定性的影响，为同类结构设计和建造提供借鉴。

Abstract： In order to study the influence of curve radius on the anti-overturning stability with single column pier bridge， combined with practical engineering practice， in view of the structural safety accidents caused by insufficient transverse anti-overturning safety with single column pier bridge in China， the finite element model of spatial bar system established by MIDAS/Civil 2017 is used to analyze and compare the influence of different curve radius on the anti-overturning stability of box girder with single column pier， which provides a reference for the design and construction of similar structures.

關键词：独柱墩箱梁；有限元模拟；曲线桥；抗倾覆受力分析

Key words： box girder with single column pier；finite element simulation；curved bridge；anti-overturning force analysis

中图分类号：U448.21+3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）10-0099-03

1 工程概况

某高速公路有两座结构类似的匝道桥，通过查阅桥梁竣工图及现场勘探，两座匝道桥除曲线半径不相同外其他因素大体相同，桥跨布置均为（23+24+23）m。两桥上部结构均为钢筋混凝土连续箱梁，截面类型均为单箱双室箱梁。箱梁顶板宽9m，底板宽7m，悬臂长1m，梁高1.2m。下部结构均为圆形独柱墩，桥梁端0、3#墩均采用3个支座，对称箱梁中心线布置，相邻两支座间距为3.25m；中间1、2#墩墩顶设置单支座；基础均为钻孔灌注基础。箱梁标准截面见图1所示，桥联主梁支承体系布置见图2所示，两桥基本参数对比见表1。

两桥主要设计技术标准：①设计荷载：汽-超20级，挂-120级；②横断面布置：净8m+2×0.5m；③平面布置：曲线梁，R1=106m，R2=75m；④地震烈度：基本烈度Ⅵ度，按Ⅶ设防；⑤设计洪水频率：大中桥1/100。

2 计算模型分析

2.1 计算模型概况结构验算均采用桥梁结构专业分析软件MIDAS/Civil 2017建立空间杆系有限元模型进行。两桥结构验算模型参见图3、4。

计算模型参数均选取：①箱梁梁体均采用40号混凝土。②恒荷载包括结构自重和二期恒载。混凝土自重按25.5kN/m3计，二期恒载由桥面铺装和防撞墙组成，桥面铺装按16.32kN/m、单侧防撞墙按8.313kN/m计。③活荷载：公路-I级，按规范JTG B01-2014取值；冲击系数按规范JTG D60-2004计算。④混凝土收缩徐变：混凝土收缩应变和徐变系数按相应规范由程序自动计算。⑤温度作用：常年温差按±20℃考虑。桥面采用混凝土铺装，箱梁升温温差T1=25℃、T2=6.7℃，降温效应为升温效应的0.5倍。⑥ 基础沉降：计算按沉降5mm取值。⑦施工方法：满堂支架现浇施工。

2.2 横向抗倾覆验算结果对比 ①单向受压支座脱空验算：在荷载基本组合下以及汽车荷载分项系数为3.4时，两桥桥梁最小支座反力状况结果对比见表2、3。通过表2、3对比发现，与2号桥相比，1号桥在荷载基本组合下以及汽车荷载分项系数为3.4时，支座脱空反力更小，支座反力越大。

②上部结构横向抗倾覆稳定性验算：按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2012）征求意见稿第4.1.9条进行计算，根据结构支承体系平面布置情况，本桥联最不利倾覆轴线有如下两种可能：①0-3#支座和1#支座的连线；②1#支座和2#墩支座的连线。成桥反力从MIDAS/Civil 2015模型中提取，计算结果见表4。

经过计算，当倾覆轴线为1#支座和2#墩支座的连线时，1、2号桥抗倾覆稳定系数值均取最小值，分别为4.8、7.8，均大于规范要求值2.5。

现将两桥横向抗倾覆验算结果列于表5。

3 影响因素分析

由表5知：对比2号桥而言，在基本组合下和汽车荷载分项系数3.4时1号桥最小负反力更小，同时箱梁整体抗倾覆安全系数也更小，为了进一步研究在车辆偏载相同作用下，不同半径独柱墩曲线桥梁的支座反力和箱梁整体抗倾覆安全性系数影响变化的规律。以1号桥为基础，选取4种不同半径其他条件相同下，利用MIDAS/Civil 2017建立三跨连续箱梁模型，分别为半径为53m的0号桥、半径为212m的3号桥、半径为530m的4号桥、半径为1060m的5号桥。四种曲线半径MIDAS/Civil模型如图5所示。

3.1 计算分析

分别计算四种模型在基本组合下最小负反力、汽车荷载分项系数3.4时支座最小负反力以及箱梁整体抗倾覆安全系数的值，计算结果如表6。

从表6中支座反力的变化分析：随着箱梁曲线半径的增大，基本组合下最小负反力逐渐增大，汽车荷载分项系数3.4时支座最小负反力也逐渐增大。由此我们可以得出结论：在基本组合下与汽车荷载分项系数3.4时，曲线半径的大小对于独柱墩箱梁支座反力影响很大，可以认为箱梁曲线半径越大，桥台支座越不易脱空，即直線桥桥台支座不易出现负反力。

3.2 计算结论

从表6中可明显看出来：①支座反力的变化分析：随着箱梁曲线半径的增大，基本组合下最小负反力逐渐增大，汽车荷载分项系数3.4时支座最小负反力也逐渐增大。由此我们可以得出结论：在基本组合下与汽车荷载分项系数3.4时，曲线半径的大小对于独柱墩箱梁支座反力影响很大，可以认为箱梁曲线半径越大，桥台支座越不易脱空，即直线桥桥台支座不易出现负反力。②箱梁整体抗倾覆安全系数比较：比较0-2号桥箱梁整体抗倾覆安全系数发现，随着箱梁曲线半径增大，箱梁整体抗倾覆安全系数是逐渐降低的，这是因为桥梁稳定力矩是逐渐减小，倾覆力矩是逐渐增大的；但是反观3-5号桥箱梁整体抗倾覆安全系数是逐渐增大的，这是由于3-5号桥箱梁倾覆轴线发生改变，曲线半径增大导致倾覆轴线由1#墩与2#墩连线变成0-3#与3-3#墩连线，倾覆轴线与最不利车道中心线间围成的面积也发生改变。

4 结语

对于桥台上三个支座的三跨连续独柱墩箱梁而言，箱梁曲线半径的由小变大，在车辆偏载相同情况下，桥台支座越不易脱空，抗倾覆稳定性系数会逐渐减小，此时对于这种曲线半径相对较小的箱梁可以通过优化设计适当增大中间独柱墩的偏心距来解决。但是当箱梁曲线半径增大到一个程度时，箱梁倾覆轴线发生改变，此时曲线半径的增大对于箱梁整体抗倾覆稳定是有利，即直线箱梁更不易发生倾覆。