外部约束失效对桥梁结构强健性影响分析

房 凯

(上海市市政规划设计研究院有限公司，上海 200000)

1 引 言

连续梁，特别是中间设置单支座的连续梁，受力简单、计算方便，在早起的城市桥梁建设中常被使用，但是诸如包头丹拉高速高架桥梁体倾覆事件、哈尔滨阳明滩梁体倾覆事件都给连续梁的外部约束失效问题敲响了警钟。这类局部破坏导致上部结构落梁的连续破坏应该被避免[1]，即连续梁结构需要通过保证外部约束不失效来维持桥梁结构的强健性。

为评价桥梁结构的强健性，需要选择一个简洁易得、可操作性、适应性强的指标[2]。

B1ockley、Dester[3]和方召欣等[4，5]提出基于能量耗散原理的强健性指标，而叶列平等[6]提出结合结构广义刚度的评价指标，即以桥梁结构中局部构件出现失效后，整个结构应变能的变化作为衡量结构重要性系数的指标，也是衡量该构件失效后，结构强健性的指标，其表达式为

式中：U′为构件失效后结构的应变能，U为原结构应变能，R为结构强健性。构件失效导致的应变能变化越大，该构件越重要，其失效后结构的强健性也就越差。

连续梁桥在使用阶段若出现偏载时，各支座反力会因弯扭耦合而不同，加之一些桥梁病害因素容易导致梁段翘曲甚至支座脱空等[7]，因此有必要研究连续梁在约束失效前提下桥梁结构的强健性。

2 工程背景

研究背景为跨径4 m×22 m钢筋混凝土连续曲线梁桥直线梁桥，桥宽为7.5 m，结构中心线为半径为90 m的圆曲线。截面采用单箱单室如图1，除两端采用带盖梁的双支座外，中间支座均采用独墩的单支座形式，主要材料参数如下。

公路—I级，横向可布置双车道；

混凝土采用C50，容重26 kN/m3；

防撞护栏(两侧)共21.0 kN/m。

图1 曲线梁桥主梁截面图(单位：m)

支座约束形式分别如图2所示。

图2 曲线梁桥支座示意图

挡块尺寸均设置为30×30×100 cm。

3 有限元模型建立

本算例采用有限元分析软件ANSYS模型，其中纵桥向为X方向，横桥向为Y方向，竖向为Z方向。混凝土采用SOLID45单元，预应力钢筋采用LINK8单元。

选取外部约束的失效对整体抗连续倒塌能力的影响。为有效的模拟结构失效，以ANSYS的“瞬态动力”和“生死单元”功能并且“杀死”失效的单元构件模拟破坏“瞬间”以及之后一段时间的结构响应[8，9]。在后续的响应检查每一步中的单元受力情况，若出现失效则继续“杀死”直至结构计算稳定。如果支座在分析过程中出现脱空，在当刻杀死约束单元，而支座复位时，在当刻重新建立约束单元。

根据文献[10]，确定积分时间步长应小于Δt=1/20f=0.000 892 3 s，因此取时间步长为0.000 5 s。根据所用材料，假定混凝土材料达到材料标准强度为材料失效推出工作，因此C50的失效强度为抗拉2.65 MPa，抗压32.4 MPa。而挡块按经过计算，最大可抵抗横向冲击力为800 kN。

4 关键约束的确定

运营阶段桥梁落梁多数为约束破坏或者挡块破坏，而桥梁结构的支座作为“外部约束”边显得尤为重要，现通过能量发计算确定各支座的重要性系数如表1所示。

对于中间设置独柱墩的连续梁，中墩显得更为重要，但是现实中墩柱的破坏较为少见，而梁端双支座中的一个约束出现失效的情况较为常见，该类桥梁的倾覆也多源于梁端约束的失效或者挡块的失效，因此可以认为外部约束均为“关键约束”，并在此研究Z1约束失效的情况，其中Z1侧为重载侧。

表1 各约束的失效时的应变能变化量

4.1 支座失效全过程分析

Z1#和Z2#支座失效时结构的应变能时程曲线如图3和图4所示。

图3 支座约束失效时结构的应变能时程曲线

图4 支座支撑点处位移时程曲线

支座失效后，结构的动力响应持续时间较长，支座失效后桥梁结构出现振动，Z1#支座在失效后剩余支座约束的连续失效，其中各重要事件发生的时间点如表2所示。

表2 Z1#支座失效后桥梁结构变化

经过计算，结论如下。

端部重载侧Z1#支座失效时，结构的应变能变化幅值为33 776.5 J，应变能增量相当于静力分析的2.34倍，即动力放大效应显著。

该桥在不足0.15 s内桥梁端部的挡块受力达到破坏极限800 kN而失效，因该桥梁缺少其他多余横向约束，横桥向位移不断加大，当横向位置较大出现梁体一侧悬空较大时，梁体将出现倾覆，此时桥梁的强健性较差。

4.2 防止桥梁出现连续倒塌的方法探讨

通过以上计算，设有单支座的连续梁在约束失效时，动力效应显著，且容易在偏载较大出现倾覆，这主要是因为全桥仅两端双支座处可以抵抗桥梁产生的弯扭作用，因此从加大两端横向约束的安全系数和在中间墩增设多余的抗扭支座两条思路出发。目前针对该类桥梁的处理方法多采用对中间单支座墩柱墩增设盖梁的方法，本文以该方法并对Z1#支座突然失效进行动力分析[11]。

中间的单支座墩柱墩设置抗扭支座后，各支座失效后应变能变化量如表3所示。

表3 增设抗扭支座后结构的应变能

由表3可知，桥梁结构增设抗扭支座，各约束失效后其剩余结构的强健性指标显著加强，增加抗扭支座与原结构在Z1支座失效后的竖向位移对比如图5所示。

图5 Z1#支座支撑点处竖向位移时程曲线

计算结果表明，增加外部约束后，桥梁结构在某个约束失效后，其结构考虑动力效应的应变能变化显著减弱，剩余结构的强健性指标明显增加[12]，具体结论如下。

(1)在连续梁中间单支座墩柱墩处设置抗扭约束，可有效的减少约束失效后的动力效；各支座的重要性系数有效减小即单个约束失效后剩余结构的强健性指标转好；

(2)对于Z1支座失效后可能引起倾覆的情况得到有效避免。

5 对独墩桥梁的加固

对于增加外部约束，可以认为多数为被动发挥作用，主要起到在特殊情况下防落梁的作用。可以从以下几个方法选择。

(1)增设立柱与支座

在独柱墩两侧各增设一个辅助墩柱与支座，将单点支撑改为三支座支撑[13]。

(2)墩柱加宽

将原独柱墩横向两侧加宽，并在墩顶位置增设辅助支座[13]。

(3)增设钢盖梁

在原独柱墩的墩顶增设钢盖梁，在盖梁两侧设置辅助支座[12]。

6 结 论

梁端一个约束出现失效时，动力效应显著，易导致梁体倾覆，并且在连续梁中间墩处设置抗扭约束对提高连续梁桥的强健性有利。