独柱墩梁桥抗倾覆参数分析与加固措施研究

2020-08-12陈金涛王宏伟

科学技术创新 2020年24期

陈金涛王宏伟

（重庆交通大学，重庆400074）

1 概述

随着城市化的发展，城市交通压力日益增大，城市交通压力也需要各种形式的桥梁来缓解，包括单墩高架桥、立交桥等。这种单柱墩桥有几个明显的优点：给城市提供更多选择空间与更大的发展空间；独柱墩式桥外形简洁美观，能满足城市的景观需求；独柱墩式桥梁通常采用整体箱梁形式，上部结构抗扭刚度大，桥梁整体性好，有较好的稳定性。

但是在后期运营过程中同样出现了诸多问题，其中倾覆是不容忽视的一点，因此影响独柱墩梁桥抗倾覆的相关参数需要进一步详细分析。

2 独柱墩抗倾覆稳定性影响因素

2.1 梁端双支座间距

独柱墩桥梁的倾覆翻转线与端部支座间距有直接关系，端部支座间距越大，桥梁重心越容易落入翻转线内侧。为了得到端部支座间距与支座反力的准确关系，采用计算算例为3 跨20m 连续梁桥，桥梁曲线半径为100m，运用MIDAS/CIVIL 软件模拟分析，支座模拟与实际支座相同，支座下节点固结，支座下节点与上节点采用考虑支座自由度的弹性连接，支座上节点与单元节点刚性连接。支座间距参数分别为2m、2.5m、3m、3.5m、4m 共5 组，支座的编号如图1 所示。

图1 支座编号图

在最不利移动荷载偏载作用下，得到的不同支座间距条件下的支反力汇总如表1 所示。由于桥梁在顺桥向对称，所以a、b、c 支座支反力与d、e、f 支座支反力对称。因此只研究a、b、c 支座支反力即可。

随着支座间距的增加，a 支座反力逐渐增加，整体呈线性增大趋势，表明更大的支座间距使得该支座受压更大。对于b 支座，当支座间距小于3m 时，支座反力为正值，即为受拉支座，这意味着该桥梁已经出现支座脱空失稳，当支座间距大于3m 时，支座反力由拉力转变为压力，整体变化趋势与支座间距曾正比例关系。但必须确保该桥梁所有支座有一定的压力储备时，该桥梁的支座间距应大于3m。

表1 不同梁端双支座间距下各支座反力表

2.2 墩梁连接方式

多跨连续梁一般有多个支座，单个支座出现脱空并不能代表支座会发生倾覆失稳，因此支座脱空结构内力重分布后结构的受力状态以及支座反力变化需要在研究中考虑。

采用考虑支座脱空的边界非线性计算算法，计算模型为两跨独柱墩梁桥，桥梁跨径为20m。支座全部采用只受压弹簧模拟。桥梁宽度为7m，双车道设计，移动荷载采用重载车集群。

图2 独柱墩梁不同连接方式梁抗倾覆性能对比

独柱墩与主梁的连接方式为独柱墩单支座、独柱墩双支座、独柱墩梁固结，其中独柱墩双支座由分为支座间距为1.3m和支座间距为2.6m 两种情况，图2 为各种连接方式端部受拉支座的荷载位移曲线的对比图。

从图中可以看出，不同连接对应失稳荷载系数不同，墩梁固结失稳荷载系数最高，单支座最低，墩梁固结总体比单支座承载能力提高了70%。通过失稳后曲线斜率可以看出，墩梁固结形式在支座脱空后的结构整体刚度最大，表明结构脱空的剩余抵抗倾覆的能力较强，而单只座方式结构剩余刚度几乎为零，将发生梁体直接倾覆的可能。

3 加固措施研究

通过前述研究结论表明，墩梁固结具有较高的抗倾覆临界点和较强的剩余承载刚度。但这是由于偏心距转移到了墩柱上，可能出现结构几何形态上未发生倾覆时，墩柱强度首先发生破坏，同样会导致由于墩柱失效产生桥梁的整体破坏。为了同时考虑支座脱空时的边界非线性和墩柱破坏时的材料非线性，采用Midas/Civil 的抗震性能评估的推倒分析方法，该方法可考虑在荷载逐级加载下结构的破坏历程。模型中墩柱设置了10号箍筋和22 号竖向主筋，采用塑形铰模拟杆件的破坏。墩柱高度为10 米，墩柱直径为1.5m。

图3 给出了结构荷载由0 倍逐渐增加到2 倍的荷载位移曲线。从荷载位移曲线可以得代，结构在0.8 倍荷载是出现第一次转折，在0.8 倍荷载以后结构荷载位移权限为斜率逐渐变小的曲线，可认为是结构发生了强度破坏。表2 给出了独柱墩在逐级加载到2 倍荷载下时发生塑形破坏的位置和荷载系数。从表中可以看出，当荷载系数为1.0 时，结构墩柱出现属性铰，结构开裂，出现位置在墩梁交接处，随着荷载的逐渐增大，墩柱塑形铰向下发展。当荷载系数为1.45 时，结构属性较进入第二阶段屈服，表明钢筋已经进入塑性阶段，随着荷载的进一步增大，第二阶段塑性铰也逐渐向下发展。图4 展示在2 倍荷载系数下墩柱的塑性较分布位置。

从研究结论可以看出，对于两跨独柱墩连续梁，墩梁固结设计恰好能够抵抗重载车集群，当荷载进一步增大时，墩梁固结处容易产生裂缝破坏。