費(fèi)建文 寧曉駿 謝健科

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500； 2.云南未來(lái)土木工程設(shè)計(jì)有限公司 昆明 650000)

0 引言

近年來(lái)，橋梁傾覆事件不斷發(fā)生，《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362—2018)[1](以下簡(jiǎn)稱(chēng)《橋規(guī)》)中相應(yīng)增加了混凝土橋梁抗傾覆驗(yàn)算的相關(guān)要求，人們?cè)絹?lái)越重視橋梁的抗傾覆設(shè)計(jì)與研究，同時(shí)也取得了不少的研究成果，但對(duì)于人行橋的抗傾覆研究成果相對(duì)較少。人行橋大多具有橋面較窄，同時(shí)由于景觀要求高，下部橋墩結(jié)構(gòu)經(jīng)常會(huì)選用如花瓶墩類(lèi)的墩柱結(jié)構(gòu)形式[2-3]。人行橋常會(huì)因?yàn)橹車(chē)h(huán)境變化而吸引人群位于橋梁的某一側(cè)，這種情況對(duì)于橋梁來(lái)說(shuō)便是一種嚴(yán)重的偏載情況，在此情況下對(duì)于橋梁的傾覆穩(wěn)定性要求較高，尤其是小半徑的曲線人行橋。

本文以某人行橋?yàn)楣こ瘫尘?，分別分析了改變橋梁的曲線半徑、支座間距以及設(shè)置固結(jié)墩3種情況下，人行橋在最不利荷載工況作用下的傾覆穩(wěn)定性，以期為該類(lèi)型橋型的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

某3 m×13 m連續(xù)梁景觀人行橋，上部為三跨現(xiàn)澆連續(xù)板，橋面寬度為3.0 m，橋墩采用獨(dú)柱墩，全橋采用雙支座，支座間距取1.2 m。人群荷載按照《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》取q=4.6 kPa；結(jié)構(gòu)自重系數(shù)按SZ=-1.04考慮；二期橋面鋪裝荷載W=2.5 kPa；防護(hù)欄桿荷載P=5 kN/m；系統(tǒng)溫度按±20 ℃考慮；截面梯度溫度按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[4]加載。采用有限元軟件Midas Civil及Civil Designer進(jìn)行建模分析，其有限元計(jì)算模型如圖1，橋梁截面形式如圖2。

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析對(duì)比，當(dāng)人群荷載在橋梁曲線外側(cè)半幅加載作用下，橋梁支座更容易脫空，即橋梁更容易發(fā)生傾覆，因此本文選用此荷載工況作為研究分析。

圖1 橋梁有限元模型示意

圖2 橋梁截面(單位：mm)

2 曲線半徑的變化對(duì)抗傾覆性影響

本文分別選取橋梁半徑為20 m,25 m及30 m 的圓曲線，研究橋梁的支座抗傾覆系數(shù)的變化規(guī)律。按《橋規(guī)》第4.1.8條規(guī)定，持久狀況下，梁橋不應(yīng)發(fā)生結(jié)構(gòu)體系改變，并應(yīng)同時(shí)滿足下列規(guī)定：

針對(duì)特征狀態(tài)1(見(jiàn)圖3)，在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)；且必須滿足在永久作用和可變作用組合下：1.0RGki+1.4RQki>0。

按作用標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行組合時(shí)(按本規(guī)范第7.1.1條取用)，整體式截面簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁的作用效應(yīng)應(yīng)符合下式要求：

(1)

∑Sbk,i=∑RGili

(2)

∑Ssk,i=∑RQili

(3)

式中，kqf為抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)，取2.5；Sbk,i、Ssk,i分別為上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定效應(yīng)設(shè)計(jì)值和失穩(wěn)效應(yīng)設(shè)計(jì)值；li為第i個(gè)墩處雙支座的中心間距；RGi、RQi分別為永久作用和可變作用在第i個(gè)墩失效支座產(chǎn)生的反力。

利用Midas Civil及Civil Designer計(jì)算分析，曲線半徑R= 20 m時(shí)，計(jì)算結(jié)果如表1所示。通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析得出支座2為內(nèi)側(cè)支座中最不利的支座。受篇幅所限，在計(jì)算本曲線半徑R= 25 m及R=30 m時(shí)僅列出了支座2對(duì)應(yīng)的抗傾覆計(jì)算結(jié)果，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2及表3。

圖3 典型破環(huán)過(guò)程

表1 半徑20 m人行橋傾覆驗(yàn)算

表2 半徑25 m人行橋傾覆驗(yàn)算

續(xù)表2

表3 半徑30 m人行橋傾覆驗(yàn)算

為進(jìn)一步研究橋梁在曲線半徑21～24 m的范圍內(nèi)傾覆穩(wěn)定性情況，本文以1 m為步距進(jìn)行研究，其分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 半徑21～24 m人行橋傾覆驗(yàn)算

因此，隨著曲線半徑在20～30 m之間增大，橋梁抗傾覆系數(shù)呈現(xiàn)逐步上升趨勢(shì)。但當(dāng)曲線半徑小于23 m時(shí)，橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求。若無(wú)條件增大橋梁的曲線半徑時(shí)，必須采用其他措施用以保證橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性。

3 支座間距的改變對(duì)抗傾覆性影響

《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用指南》在解決橋梁抗傾覆問(wèn)題上[5]，給出了改變支座間距的建議。因此以小半徑人行橋在半徑為23 m時(shí)，擬定支座間距分別為1.3、1.4、1.5 m來(lái)分析其不同支座間距下的抗傾覆性問(wèn)題，計(jì)算結(jié)果如圖4。

圖4 支座間距對(duì)橋梁抗傾覆系數(shù)影響

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，支座間距的改變對(duì)橋梁的抗傾覆性影響較大，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡量增大支座間距。

4 設(shè)置固結(jié)墩對(duì)橋梁內(nèi)力的影響

《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用指南》在提高橋梁的抗傾覆性的建議中指出，設(shè)置固結(jié)墩能更直接地解決橋梁傾覆問(wèn)題[6]。設(shè)置固結(jié)墩后，橋梁的受力體系發(fā)生了轉(zhuǎn)換，所以梁的內(nèi)力也發(fā)生了很大變化。擬定小半徑人行橋曲線半徑23 m，支座間距1.2 m，分別從“不設(shè)置固結(jié)墩”、“1個(gè)固結(jié)墩”、“2個(gè)固結(jié)墩”3種方案進(jìn)行梁部?jī)?nèi)力對(duì)比。本文選取“第一跨跨中、第二跨跨中及第三跨跨中”和“2#、3#橋墩墩頂”為研究對(duì)象，截面的彎矩值My為內(nèi)力參考值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5及圖6。

圖5 固結(jié)墩對(duì)跨中內(nèi)力的影響

圖6 固結(jié)墩對(duì)墩頂內(nèi)力的影響

隨著固結(jié)墩的增加，梁部邊跨的彎矩有所改善，中跨的彎矩有少量增加；對(duì)于墩頂由于剛度的整體提升，墩頂負(fù)彎矩在整體上表現(xiàn)為增大；當(dāng)設(shè)置2個(gè)固結(jié)墩時(shí)，2#、3#橋墩墩頂剛度再度趨于平衡，負(fù)彎矩較設(shè)置一個(gè)固結(jié)墩時(shí)有所改善，內(nèi)力得到了重分配，故而設(shè)計(jì)者應(yīng)著重考慮邊中跨及墩頂?shù)呐浣顑?yōu)化。

5 結(jié)論

(1) 隨著小半徑人行橋曲線半徑的增大，橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)呈現(xiàn)逐步上升趨勢(shì)。說(shuō)明對(duì)于小半徑人行橋，曲線半徑的增大能夠較好的提高橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性。但當(dāng)曲線半徑小于23 m時(shí)，橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求，須另行考慮，如調(diào)整橋梁的支座間距，加設(shè)固結(jié)墩等。

(2)采用增大支座間距和設(shè)置固結(jié)墩的方法均能改善橋梁的傾覆問(wèn)題，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)在支座間距1.2～1.5 m間都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，設(shè)計(jì)者可在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡量增大支座間距。

(3)設(shè)置固結(jié)墩較好地改善了邊跨跨中內(nèi)力，對(duì)于墩頂由于剛度的整體提升，墩頂負(fù)彎矩在整體上表現(xiàn)為增大，設(shè)計(jì)人員應(yīng)著重考慮邊中跨及墩頂?shù)呐浣顑?yōu)化。