独柱墩桥梁抗倾覆稳定性分析
2021-08-15王振航周子杰
王振航，陈 勇，徐 达，周子杰
（上海市建筑科学研究院有限公司，上海市 200032）
0 引言
独柱墩曲线梁桥具有外型优美、线形流畅、节省空间及工程经济性好等优点，在高速公路匝道桥和城市立交桥中得到了广泛应用[1]。独柱墩桥梁一般为中墩单点支撑，桥梁自身的稳定性是控制设计的主要因素之一。车辆偏载作用对独柱墩桥梁横向倾覆稳定不利，极端偏载可能导致桥梁倾覆[2]。近年来，我国发生了多起独柱墩桥梁倾覆事故，结构横向安全问题随之受到广泛关注。2018 年修订的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）对公路桥梁抗倾覆性能提出了新的要求，抗倾覆稳定系数的计算方法也同步进行了调整。但规范中未考虑结构布置形式对抗倾覆稳定性的影响，因此，有必要在新的标准下,探讨结构布置形式对独柱墩桥梁抗倾覆稳定性的影响，保证运营，以及拟建独柱墩桥梁的安全[3]。
现以某高速公路立交匝道上典型的四跨一联独柱曲线连续梁桥为背景，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）提出的桥梁倾覆过程中两特征状态及相应验算要求，分析该联桥梁的抗倾覆稳定性；分析联端支座间距和中支座外偏心距与两个特征状态的关系；探讨温度效应与支座竖向反力、“爬移”效应及倾覆稳定性的影响关系。其成果可为同类桥梁的抗倾覆稳定性设计验算、加固改造提供参考[4]。
1 独柱墩抗倾覆计算分析
1.1 背景桥梁
现以某高速公路四跨一联独柱曲线连续箱梁桥为例进行抗倾覆计算分析。该桥跨径组合为22.0 m+22.0 m+22.0 m+22.0 m，位于缓和圆曲线上。设计荷载为汽-超20 级，挂-120 级。上部结构为单箱单室普通钢筋混凝土箱形结构，采用C40 混凝土，如图1所示。桥面布置为0.5 m（防撞墙）+7.0 m（机动车道）+0.5 m（防撞墙）=8.0 m，详见图1。桥台采用排架式桥台，桥墩采用桩柱式桥墩。支座为板式橡胶支座且未设限位措施，联端为双支座布置，间距为3.2 m；中墩为单支座布置，支座横向向外侧偏心0.1 m。
图1 箱梁横断面图（单位：cm）
1.2 计算参数
混凝土容重取26.0 kN/m3，并考虑箱梁横隔板的自重；桥面铺装取18.4 kN/m；防撞墙两侧各取9.8 kN/m；对曲线梁桥考虑5%的横向不平衡作用力；支座沉降考虑竖向沉降5.0 mm。
温度作用：温度梯度取升温模式下T1=14.0℃，T2=5.5℃，降温模式下T1=-7.0℃，T2=-2.75℃；整体升、降温20.0℃。
汽车作用：采用公路-I 级车道荷载偏载作用进行验算。采用单车道加载时，考虑1.2 倍的单车道横向布载系数。
根据设计图纸及相应参数利用Midas Civil 2019有限元软件建立桥梁模型，全桥共185 个节点，184个梁单元。整体有限元模型及支座编号如图2 所示。
图2 有限元模型及支座编号图
1.3 抗倾覆验算分析
根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）[5]第4.1.8 条进行验算。条文说明中的算例并未提及可变作用温度梯度效应和整体升降温效应、永久作用支座沉降效应。为更准确地模拟抗倾覆稳定性，以及分析各效应对抗倾覆能力的影响，此次验算考虑上述效应，计算过程及结果如表1 所列。
表1 抗倾覆验算结果表
2 独柱墩倾覆影响因素分析
现主要研究联端支座间距和中支座外偏心距与抗倾覆计算两个特征状态的关系；探讨温度效应对支座竖反力及箱梁“爬移”效应的影响，进而分析对抗倾覆稳定系数的影响。
2.1 联端支座间距影响分析
为研究联端支座间距对曲线梁桥横向抗倾覆稳定性的影响，以1.2 节模型参数和有限元模型为基础，通过选取支座横向间距2.4 m、2.8 m、3.2 m、3.6 m四种情况来计算分析联端支座间距与两个特征状态的关系。其与特征状态1（最不利基本组合）支座反力的计算结果如表2 所列和图3 所示，与特征状态2（最不利标准组合）横向抗倾覆稳定系数的计算结果如图4 所示。
图3 联端支座间距与特征状态1 支反力关系曲线图
图4 联端支座间距与特征状态2 关系曲线图
表2 特征状态1 各支座竖向反力表 单位：kN
由表2 和图3 可知，在相同的模型参数下，只改变联端支座间距。特征状态1 在最不利基本组合下其端部内外侧支座均随着支座横向间距的增大，其反力也随之增大，并且端部支座受力有由受拉状态向受压状态趋势的转变；但中墩支座随着联端支座间距的增大，其反力不变。
由图4 可知，特征状态2 在最不利标准组合下的横向抗倾覆稳定系数随着支座间距的变化产生线性变化，随支座间距的增大抗倾覆稳定系数逐步增大。
2.2 中支座外偏心距影响分析
在本文1.2 节模型参数和有限元模型的基础上，根据现场支座偏移情况选取中墩支座曲线外侧的偏心距0 cm、3 cm、5 cm、8 cm、10 cm、15 cm 六种情况来计算分析支座外偏心距与两个特征状态的关系。其与特征状态1（最不利基本组合）支座反力的计算结果如表3 所列和图5 所示，与特征状态2（最不利标准组合）横向抗倾覆稳定系数的计算结果如图6所示。
表3 特征状态1 各支座竖向反力表 单位：kN
图5 中支座外偏心距与特征状态1 支反力关系曲线图
图6 中支座外偏心距与特征状态2 关系曲线图
由表3 和图5 可知，只改变中墩支座外偏心距，特征状态1 在最不利基本组合下端部内外侧支座表现出不同的变化趋势。其中，两端部外侧支座均随着外偏心距的增大，反力变小，并由受压状态转变为受拉状态；两端部内侧支座随着外偏心距的增大反力随之增大；中墩支座随着外偏心距的增大，反力并没有太明显的变化，但也存在一定减小的趋势。
虽然两端部内、外侧支座随外偏心距的增大表现出相反的变化趋势，但由图6 可知：特征状态2 在最不利标准组合下的其横向抗倾覆稳定系数依然随中支座外偏心距的增大也随之增大。
2.3 温度效应影响分析
在1.3 节对该桥抗倾覆验算的基础上，将温度效应及特征状态1（最不利基本组合）下各支座产生的竖向反力汇总于表4。
通过表4 的计算结果，单从温度影响方面来看，温度梯度对支座竖向反力影响较大，而整体升、降温对支座竖向反力无影响；从最不利基本组合下支反力来看，若不考虑温度效应使得联端内外侧支座及中墩部分支座的竖向反力均有明显增大的趋势。从横向抗倾覆稳定系数来看，根据1.3 节表1 相应的计算，若不考虑温度效应，横向抗倾覆稳定系数也会有一定增大的趋势，这里不再详细计算。
表4 不同效应各支座竖向反力表 单位：kN
相关文献[6]研究表明，混凝土箱梁在温度作用下将会产生“爬移”效应，即箱梁发生径向位移。为探究影响箱梁“爬移”的最不利温度效应因素，将温度梯度升、降和整体升、降温作用下的径向位移计算结果罗列如图7 所示。
图7 温度效应下径向位移图
由图7 可知，在梯度升温作用下该桥在3# 支座及附近位置向曲线外侧偏移0.6 mm，联端部无径向位移；在梯度降温作用下，该桥在3# 支座及附近位置向曲线内侧偏移0.3 mm，联端部无径向位移；在整体升温作用下，该桥在3# 支座及附近位置向曲线外侧偏移1.4 mm，联端部向曲线内侧偏移0.4 mm；在整体降温作用下，该桥在3# 支座及附近位置向曲线内侧偏移1.4 mm，联端部向曲线外侧偏移0.4 mm。
箱梁在温度梯度作用下表现出仅中墩位置处存在径向偏移；在整体升、降温作用下表现出中墩位置和端部位置处均发生了径向偏移。因此箱梁的“爬移”效应受整体升、降温作用较大，尤其在整体升温作用下，箱梁端部向内侧偏移，中墩处向外侧偏移。支座与箱梁发生了相对位移，改变了支座的受力分配与箱梁的扭矩分布，对桥梁的横向抗倾覆稳定性更为不利。
根据上述计算，若箱梁在温度作用下的横向变形不加以限制，则可能在日积月累地温度作用下出现较大的爬移。该桥实测箱梁向外爬移3～5 cm，以爬移量5 cm 对其横向抗倾覆性重新进行计算，计算结果表明其特征状态1 下支座仍然脱空且特征状态2下横向抗倾覆稳定系数也极大减小，为0.92。因此，建议对在役的独柱墩桥梁增加横向限位措施，防止箱梁发生“爬移”造成倾覆事故。
3 结论
本文以四跨一联独柱曲线连续箱梁桥为背景，基于《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）相应的抗倾覆稳定性验算要求，通过以上计算分析可以得出以下结论：
（1）该四跨一联独柱曲线连续箱梁桥的抗倾覆稳定性不满足现行规范的要求，需要对其进行加固以保证桥梁的运行安全。
（2）抗倾覆能力随联端支座间距的增大而提高。特征状态1 下端部支座反力随支座间距的增大也随之增大，并且由受拉状态向受压状态转变的趋势；中墩支座反力随联端支座间距的增大而不变；特征状态2 下横向抗倾覆稳定系数随支座间距的增大也线性增大。另外，若采用单点支撑转变为双支撑的方法对独柱墩桥梁进行加固时，建议适当加大支座间距，提高抗倾覆稳定性。
（3）特征状态1 下中墩支反力随着外偏心距的增大有一定减小的趋势；端部内侧支座反力随外偏心距的增大随之增大，端部外侧支座则变化相反。另外当外偏心距超过一定范围时，端部外侧支座由受压状态转变为受拉状态，不利于桥梁的抗倾覆；特征状态2 下横向抗倾覆稳定系数随中支座外偏心距的增加而增大。因此设置合理的外偏心距能够使得桥梁的抗倾覆能力得到提升。
（4）支座竖向反力受温度梯度作用影响较大，使得箱梁向不利于抗倾覆稳定性方向发展，箱梁“爬移”效应主要是在整体升温作用下。因此在设计时，应综合考虑温度效应对独柱墩梁桥的影响，避免因温度作用导致梁体向倾覆趋势发展。
（5）建议对在役的独柱墩桥梁设置横向限位措施，抑制箱梁的“爬移”效应，并在桥梁定期检查中，重点关注梁体与支座是否有相对位移，对独柱墩桥梁倾覆风险提前预警。
