独柱墩桥梁横向抗倾覆性影响因素研究

安海涛

(河北交规院瑞志交通技术咨询有限公司 石家庄市 050091)

0 引言

近年来,独柱墩桥梁倾覆事故引起行业高度重视。国内学者针对独柱墩桥梁抗倾覆性问题进行了大量研究。刘鹏通过建立独柱曲线梁桥有限元模型,对桥梁倾覆参数的敏感性进行分析[1];虢玉标等通过建立多个有限元模型,探究平曲线半径、支座横向间距和边中跨比等因素对桥型抗倾覆稳定性的影响规律[2];曹爱虎采用Midas Civil Designer有限元模型研究独柱墩箱梁桥抗倾覆设计的主要影响因素及防治措施[3];刘四田采用实体块单元桥梁计算程序分别对直桥和弯桥进行计算,探讨其抗倾覆能力及倾覆荷载[4];张振涛等基于桥宽与支座间距之比提出桥梁结构优化、中墩支撑偏心距调整、增设上下部结构连接装置等抗倾覆加固措施[5];邢心魁等探讨了合理的桥宽与支座间距比值和中墩支座预偏心对改善联端支座不均匀受力的效果[6]。文章主要对梁端支座间距与梁宽之比进行深入剖析,采用有限元软件研究其对独柱墩桥梁横向抗倾覆性的影响,以期为独柱墩桥梁的设计及运营中的倾覆性判断提供研究依据。

1 概述

独柱墩桥梁因外观简洁、造价经济、节约土地资源等优势,被广泛应用于高速公路匝道桥及市政立交桥。现有研究主要集中在对抗倾覆性影响因素的研究,对具体影响因素进行详细分析的成果较少。文章以3m×25m钢筋混凝土直线梁桥为例,建立有限元模型,分析不同梁宽下梁端双支座间距与梁宽之比对独柱墩桥梁横向抗倾覆性的影响,进而确定合理的梁端支座间距与梁宽之比。

2 计算模型

文章选取三种常用的梁宽对多跨直线桥梁的抗倾覆稳定性进行对比分析。上部结构为钢筋混凝土连续箱梁,跨径为3m×25m,荷载等级为公路Ⅰ级,箱梁宽度分别为8.5m、9.5m和10.5m,梁高为1.4m;下部结构桥墩为柱式墩,桩基础,其中2号墩、3号墩为独柱墩,1号墩、4号墩为双柱式墩(无盖梁),支座布置如图1所示。

图1 箱梁支座平面布置示意图

文章采用Midas Civil有限元软件对箱梁进行建模计算,计算时考虑恒载、活载、温度、收缩徐变、支座沉降等因素,运用Midas Civil Designer对独柱墩桥梁进行抗倾覆性验算。

3 抗倾覆验算理论

3.1 基本原理

桥体横向倾覆失稳直至垮塌的破坏过程表现为单向受压支座脱离正常受压状态,上部结构的支承体系不再提供有效约束,上部结构扭转变形,横向失稳垮塌,支座、下部结构连带损坏,具体见图2。

图2 典型破坏过程

倾覆过程存在2个明确特征状态:在特征状态1下,箱梁的单向受压支座开始脱离受压;在特征状态2下,箱梁的抗扭支承全部失效。参考相关规范,采用上述2个特征状态作为抗倾覆验算工况。

(1)针对特征状态1,作用基本组合下,箱梁桥的单向受压支座处于受压状态。

(2)箱梁桥同一桥墩的一对双支座构成一个抗扭支承,起到对扭矩和扭转变形的双重约束作用。当双支座中一个支座竖向力失效后,另一个有效支座仅起到对扭矩的约束作用,失去对扭转变形的约束。当箱梁的抗扭支承全部失效时,箱梁处于受力平衡或扭转变形失效的极限状态,即达到特征状态2。对于特征状态2,参考挡土墙、刚性基础的横向倾覆验算,采用“稳定作用效应≥稳定性系数×失稳作用效应”表达式。

3.2 最不利反力法

最不利反力法以支座出现最不利反力的荷载工况为判据,求得该工况下全联桥梁的支座并发反力,据此进行支座脱压验算和结构倾覆验算。

判断支座脱压验算是否通过的判据是:在作用基本组合下,各支座支反力满足Fz≥0。判断结构倾覆验算是否通过的判据是:结构在最不利支座反力控制下,横桥向倾覆稳定系数≥2.5。

4 梁端支座间距与梁宽之比对抗倾覆性的影响分析

为进一步研究梁端支座间距与梁宽之比对抗倾覆性的影响,采用8.5m、9.5m、10.5m三种箱梁宽度分析不同梁端支座间距下桥梁的抗倾覆稳定性,得出梁端支座间距与梁宽之比对抗倾覆性的影响规律。

4.1 箱梁宽度8.5m

建立梁端支座间距为2m、3m、4m、5m、6m、7m、8.5m的有限元模型,分析箱梁宽度为8.5m时不同梁端支座间距下的抗倾覆性能。在作用基本组合下,结构支座反力如表1所示。

表1 支座反力统计1 单位：kN

在最不利荷载组合下,结构横桥向抗倾覆稳定系数如表2所示。

表2 抗倾覆稳定系数统计1

由表1和表2可知:(1)随着梁端支座间距增加,最不利支座(1-1,4-1)逐渐从受拉状态转为受压状态,且支座反力逐渐增加。(2)随着梁端支座间距增加,梁端内外侧两支座的反力差逐渐减小。(3)随着梁端支座间距的增加,最不利支座(1-1,4-1)的抗倾覆系数逐渐增加。

4.2 箱梁宽度9.5m

建立梁端支座间距为3m、4m、5m、6m、7m、8m、9.5m的有限元模型,分析箱梁宽度为9.5m时不同梁端支座间距下的抗倾覆性能。在作用基本组合下,结构支座反力如表3所示。

表3 支座反力统计2 单位：kN

在最不利荷载组合下,结构横桥向抗倾覆稳定系数如表4所示。

表4 抗倾覆稳定系数统计2

由表3和表4数据可知,箱梁宽度为9.5m与箱梁宽度为8.5m时的规律一致。

4.3 箱梁宽度10.5m

建立梁端支座间距为4m、5m、6m、7m、8m、9m、10.5m的有限元模型,分析箱梁宽度为10.5m时不同梁端支座间距下的抗倾覆性能。在作用基本组合下,结构支座反力如表5所示。

表5 支座反力统计3 单位：kN

在最不利荷载组合下,结构横桥向抗倾覆稳定系数如表6所示。

表6 抗倾覆稳定系数统计3

由表5～表6数据可知,箱梁宽度为10.5m与箱梁宽度为8.5m时的规律一致。

4.4 结果对比分析

通过对比分析,可知梁端支座间距对桥梁抗倾覆性能的影响规律,但不同梁宽对桥梁的抗倾覆影响大小不一,在此主要对三种梁宽下梁端支座间距与梁宽之比对桥梁抗倾覆性能的影响进行研究,最终得出合适的梁端支座与梁宽之比。

梁端支座间距与梁宽之比固定时,在基本组合下,结构最小支座反力如图3所示。

图3 最小支座反力随梁端支座间距与梁宽之比变化曲线

从图3可以看出,随着梁端支座间距与梁宽之比的增大,最小支座反力的变化呈正相关,且梁端支座间距与梁宽之比大于0.4时,支座脱空验算满足规范要求。

梁端支座间距与梁宽之比固定时,在最不利荷载组合下,结构抗倾覆稳定系数见图4。

图4 抗倾覆系数随梁端支座间距与梁宽之比变化曲线

从图4可以看出,随着梁端支座间距与梁宽之比的增大,抗倾覆稳定系数的变化呈正相关,且梁端支座间距与梁宽之比大于0.6时,抗倾覆稳定系数均大于2.5,满足规范要求。

5 结论

(1)梁宽确定时,梁端支座间距与梁宽之比增大,最小支座反力随之增大,抗倾覆稳定系数基本呈线性增大关系。

(2)针对3孔连续箱梁,桥墩为独柱墩的桥梁,梁端支座间距与梁宽之比大于0.6时,抗倾覆稳定系数和支座脱空验算均满足规范要求。

(3)当梁端支座间距与梁宽之比确定时,随着梁宽增加,最小支座反力随之增大。

(4)实际工程中,可适当增大梁端支座间距与梁宽之比来提高梁体的抗倾覆性能。