鄒志翔 廖 鑫

(中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司 武漢 430010)

獨(dú)柱墩橋梁由于其行車視野開闊、造型美觀和適應(yīng)地形地物等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于高速公路匝道橋及城市橋梁建設(shè)中。然而，這類橋梁一般采用單支座支承，橫向抗傾覆穩(wěn)定性較差，目前國內(nèi)已發(fā)生了多起橋梁傾覆事故。2007年10月，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市簡支鋼箱梁橋在超載作用下繞中性軸一側(cè)支座傾覆倒塌；2009年7月，津晉高速公路天津段港塘互通獨(dú)柱墩匝道橋梁在重車偏載作用下傾覆；2011年2月，浙江省上虞市春暉橋也是在重車偏載作用下發(fā)生倒塌[1]。而鋼-混組合梁橋自重較輕，當(dāng)采用獨(dú)柱墩時(shí)，其抗傾覆性能更加不容忽視。

國內(nèi)外在橋梁抗傾覆方面做了許多研究，并取得了一些成果。Zhou等[2]研究了小半徑對曲線鋼箱梁橋力學(xué)性能的影響；潘麗杰[3]通過對彎橋抗傾覆影響因素的分析，得出減小橋梁曲線半徑、增加結(jié)構(gòu)線重度、增加端部支座間距，加大獨(dú)柱墩支座尺寸能有效提高橋梁抗傾覆能力；王剛[4]對獨(dú)柱墩曲線橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行有限元模擬分析，得出曲線橋的抗傾覆性能隨曲線半徑在一定范圍內(nèi)增大而減小，隨著邊中跨比的減小而減?。煌羧餥5]通過對鋼箱梁橋最不利傾覆軸、支座轉(zhuǎn)角及端支座間距3個(gè)影響因素的分析，提出了抗傾覆驗(yàn)算的實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)；徐長峰[6]結(jié)合理論方法和現(xiàn)場試驗(yàn)，對三跨連續(xù)鋼-混組合梁橋的抗傾覆性能進(jìn)行分析，探討了相關(guān)規(guī)程的合理性；秦延飛等[7]通過對廣東某三跨連續(xù)獨(dú)柱墩匝道橋進(jìn)行抗傾覆分析，提出橋墩增加鋼牛腿、設(shè)置三支座支撐可以有效提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

獨(dú)柱墩曲線梁橋的傾覆破壞與強(qiáng)度破壞相比更加敏感，但有關(guān)橋梁傾覆的計(jì)算理論尚有待完善。當(dāng)前國內(nèi)的橋梁設(shè)計(jì)比較注重結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪等強(qiáng)度計(jì)算，而對橋梁的橫向抗傾覆問題往往關(guān)注不足。為此，本文以兩跨連續(xù)獨(dú)柱墩鋼-混組合梁橋?yàn)楸尘?，研究其抗傾覆穩(wěn)定性影響因素，并提出相應(yīng)的構(gòu)造改善措施，為類似橋梁的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

某互通匝道橋上跨高速公路，在中分帶處設(shè)置獨(dú)柱墩，上部結(jié)構(gòu)為兩跨連續(xù)鋼-混組合梁，跨徑布置為2×35 m。組合梁橫斷面采用單箱雙室直腹板形式，梁高2.1 m?；炷翗蛎姘鍖?2.25 m，橫向采用變厚度，挑臂端部厚度為0.2 m，橫向跨中段厚度為0.25 m，鋼梁頂板處橋面板加厚至0.4 m。鋼梁單側(cè)頂板寬0.8 m，底板寬8.85 m，腹板間距4.375 m，受壓加勁板采用剛性加勁肋，橫向加勁肋間距為1.55 m?；炷翗蛎姘搴弯摿褐g通過布置于鋼梁頂板的圓柱頭焊釘連接。支點(diǎn)橫梁采用箱型斷面，邊支點(diǎn)腹板中心距1.16 m，中支點(diǎn)腹板中心距1.5 m。中間矩形獨(dú)柱墩尺寸為1.4 m×4 m，兩端雙柱式墩直徑為1.4 m，基礎(chǔ)采用直徑1.5 m的鉆孔樁。橋梁結(jié)構(gòu)布置見圖1。

圖1 橋型布置圖(單位：cm)

2 計(jì)算方法

橋梁的橫向傾覆與強(qiáng)度計(jì)算差別較大，不涉及上部結(jié)構(gòu)的材料破壞，主要表現(xiàn)為整個(gè)結(jié)構(gòu)作為剛體失穩(wěn)。傾覆橋梁的典型破壞過程為：單向受壓支座依次持續(xù)脫空，上部結(jié)構(gòu)抗扭支承失效，箱梁扭轉(zhuǎn)變形趨于發(fā)散、橫向失穩(wěn)，支座擠出,橋墩斷裂。參考擋土墻和剛性基礎(chǔ)的抗傾覆驗(yàn)算，定義抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)、穩(wěn)定作用效應(yīng)和失穩(wěn)作用效應(yīng)[8]。公式如下。

式中：穩(wěn)定效應(yīng)Sbk,i和失穩(wěn)效應(yīng)Ssk,i為失效支座對有效支座取矩，kqf為穩(wěn)定性系數(shù)，取2.5。

借助有限元軟件對全橋進(jìn)行建模分析，支座采用一般支承，主梁用梁單元模擬。模型荷載主要考慮永久作用和三車道汽車活載作用。有限元分析模型見圖2。

圖2 有限元分析模型

支座編號見圖3，1-1和3-1為失效支座，1-2、2-1和3-2為有效支座。根據(jù)對稱性，以下提取支座1-1、1-2和2-1在永久作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)下的支反力及支座1-1失效時(shí)的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行分析。

圖3 支座編號

3 抗傾覆影響分析

3.1 曲率半徑對抗傾覆的影響

背景工程的平曲線曲率半徑為300 m，在此基礎(chǔ)上增加100，200，400和500 m 4種不同曲率半徑的橋梁，并與直線橋?qū)Ρ龋治鼋Y(jié)構(gòu)抗傾覆性能隨曲率半徑的變化規(guī)律。支座豎向反力隨曲率半徑的變化曲線見圖4和圖5，穩(wěn)定性系數(shù)隨曲率半徑的變化曲線見圖6。

圖4 邊支座反力隨曲率半徑變化曲線

圖5 中支座反力隨曲率半徑變化曲線

圖6 穩(wěn)定性系數(shù)隨曲率半徑變化曲線

由圖4可知，內(nèi)側(cè)支座反力小于外側(cè)，且隨著半徑的增大，內(nèi)側(cè)支座反力逐漸增大，外側(cè)支座反力逐漸減小，兩者差值逐漸減小，上部結(jié)構(gòu)受力趨向平穩(wěn)；當(dāng)曲率半徑由100 m增加到200 m時(shí)，曲線比較陡峭，內(nèi)側(cè)支座反力增加了5.4%，外側(cè)支座反力減小了5.7%；當(dāng)曲率半徑大于200 m時(shí)，曲線變化較為平緩。

由圖5可知，中支座反力受曲率半徑影響很小，當(dāng)曲率半徑由100 m變化到500 m時(shí)，豎向反力僅增加了0.5%。

由圖6可知，隨著曲率半徑的增大，橋梁穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢；當(dāng)曲率半徑小于300 m時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)隨曲率半徑增大而減??；當(dāng)曲率半徑大于300 m時(shí)，穩(wěn)定效應(yīng)和失穩(wěn)效應(yīng)隨著曲率半徑增大呈良性發(fā)展，穩(wěn)定性系數(shù)緩慢增大；當(dāng)曲率為直線橋時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)增加至4.82，比曲率半徑為100 m時(shí)的穩(wěn)定性系數(shù)5.15略小。

3.2 支座間距對抗傾覆的影響

針對曲率半徑為300 m的橋梁，改變邊墩支座間距，分別將其設(shè)定為5.25，5.75，6.25，6.75，7.25 m，分析支座間距對橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的影響。支座豎向反力隨支座間距的變化曲線見圖7和圖8，穩(wěn)定性系數(shù)隨支座間距的變化曲線見圖9。

圖7 邊支座反力隨支座間距變化曲線

圖8 中支座反力隨支座間距變化曲線

圖9 穩(wěn)定性系數(shù)隨支座間距變化曲線

由圖7可知，隨著邊墩支座間距的增大，內(nèi)側(cè)支座反力緩慢增大，外側(cè)支座反力緩慢減小，兩者差值逐漸減??；當(dāng)支座間距由5.25 m增加至7.25 m時(shí)，內(nèi)側(cè)支座反力增加了1.9%，外側(cè)支座反力減小了0.6%。

由圖8可知，中支座反力幾乎不受邊支座間距的影響，當(dāng)支座間距由5.25 m增加到7.25 m時(shí)，豎向反力僅僅增加了0.1%。

由圖9可知，穩(wěn)定性系數(shù)隨支座間距的增大而逐漸增大，這是由于穩(wěn)定效應(yīng)力臂增大及汽車荷載負(fù)反力減小，使得橋梁抗傾覆穩(wěn)定性增強(qiáng)。

3.3 支座偏心對抗傾覆的影響

支座偏心對橋梁的抗傾覆性能也有重要影響?？刂魄拾霃綖?00 m，邊墩支座間距為7.25 m，分別將中墩支座向內(nèi)、外側(cè)各偏心20 cm和40 cm(內(nèi)偏為負(fù)，外偏為正)，分析橋梁抗傾覆性能隨支座偏心的變化規(guī)律。支座豎向反力隨支座偏心距的變化曲線見圖10和圖11，穩(wěn)定性系數(shù)隨支座偏心距的變化曲線見圖12。由圖10和圖11可知，支座偏心對支反力影響較大，且隨著偏心距的增大，邊墩內(nèi)側(cè)支座反力逐漸增大，外側(cè)支座反力逐漸減小，中墩支座反力逐漸減?。划?dāng)中支座外偏40 cm時(shí)，邊墩內(nèi)側(cè)支座反力增加了22.3%，外側(cè)支座反力減小了3.5%，中支座反力減小了5.2%；當(dāng)中支座內(nèi)偏40 cm時(shí)，邊墩內(nèi)側(cè)支座反力減小了22.7%，外側(cè)支座反力增加了9.5%，中支座反力增加了3.8%。

圖10 邊支座反力隨支座偏心變化曲線

圖11 中支座反力隨支座偏心變化曲線

圖12 穩(wěn)定性系數(shù)隨支座偏心變化曲線

由圖12可知，穩(wěn)定性系數(shù)隨支座偏心的增大而增大，這是由于支座外偏使得穩(wěn)定效應(yīng)增大，失穩(wěn)效應(yīng)減小，有利于提高結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性。

3.4 車速對抗傾覆的影響

不同車速下的離心力也會影響橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性。控制曲率半徑為300 m，邊墩支座間距為7.25 m，將車速分別設(shè)定30，45，60，75，90 km/h，分析橋梁在不同車速下的抗傾覆性能。穩(wěn)定性系數(shù)隨車速的變化曲線見圖13。

圖13 穩(wěn)定性系數(shù)隨車速變化曲線

由圖13可知，穩(wěn)定性系數(shù)隨車速的增大而減小，這是由于汽車離心力使得失穩(wěn)效應(yīng)增大，從而減弱橋梁抗傾覆穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

1) 曲線橋內(nèi)側(cè)支座反力小于外側(cè)，隨著曲率半徑的增大，內(nèi)外側(cè)支座反力分配趨向均勻；穩(wěn)定性系數(shù)隨著曲率半徑的增大先減小后增大，小曲率半徑橋梁穩(wěn)定性最好，其次是直線橋，而大曲率半徑橋梁穩(wěn)定性較差；匝道設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用小曲率半徑橋梁提高抗傾覆能力，同時(shí)也要考慮小曲率半徑帶來的畸變應(yīng)力增大及橋梁美觀等方面的不利影響。

2) 支座間距越大，內(nèi)外側(cè)支反力差值越小，從而可以有效降低內(nèi)側(cè)支座脫空的風(fēng)險(xiǎn)；隨著支座間距的增大，穩(wěn)定性系數(shù)逐漸增大；在獨(dú)柱墩支座兩側(cè)設(shè)置支撐桿，可以實(shí)現(xiàn)雙支座效果，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3) 中支座越向外偏，邊墩內(nèi)側(cè)支座反力越大，外側(cè)支座反力越小，中墩支座反力越??；穩(wěn)定性系數(shù)隨支座偏心距的增大而減小。

4) 車速對橋梁結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性有一定影響，且穩(wěn)定性系數(shù)隨車速的增大而減?。卉囕v在匝道拐彎處，尤其要注意減速慢行，避免離心力影響橋梁的穩(wěn)定性。

5) 其他影響橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的因素還有跨徑和線重度等；在滿足橋下通行的情況下，可以適當(dāng)選擇小跨徑的橋梁增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗傾覆能力；在不影響橋梁局部構(gòu)件強(qiáng)度前提下，增加配重也是提高橋梁穩(wěn)定性的有效措施。