宋慶瑞
(山西省公路局晉中分局,山西 晉中 030600)
現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋整體性能好、抗扭剛度大,下部結構若配置獨柱式橋墩,可使橋梁視覺通透、線條流暢、外形美觀,而且節(jié)約占地、節(jié)省工程造價,因此獨柱式連續(xù)箱梁橋被廣泛采用。目前,在獨柱墩橋梁計算時,往往只關注橋梁的抗彎能力和抗剪能力,忽視偏心偶然荷載的作用。我國載重車輛普遍存在超載現(xiàn)象,個別車輛超載甚至達到了200%~300%,這導致橋梁可能處于超負荷工作狀態(tài)。在偏心偶然荷載作用下,獨柱墩橋梁存在著較大的傾覆危險。國內已發(fā)生多起獨柱式橋墩箱梁橋傾覆倒塌事故,產生了較壞的影響,造成了重大經濟損失,獨柱墩連續(xù)箱梁橋的抗傾覆穩(wěn)定性問題日益突出。
由于現(xiàn)行規(guī)范中沒有橋梁主梁抗傾覆的相關規(guī)定,故采用2012年的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(征求意見稿)中的相關規(guī)定。本文以某獨柱墩連續(xù)箱梁彎橋為例,對其抗傾覆能力進行驗算,評價其安全性能。
某獨柱墩連續(xù)箱梁彎橋,上部結構采用6~20m普通鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁,梁高1.3m,橋梁全長127m。橋梁按山嶺重丘區(qū)二級公路標準(與路基同寬8.5m)設計,同時考慮本橋位于R—150m左偏曲線上,按規(guī)范路基在曲線內側加寬1.0m,單向橫坡。該橋設計荷載為汽車—20級,掛車—100,橋面寬度組合為凈?8.734m+2×0.383m墻式護欄。0#橋臺和6#橋臺采用樁柱式橋臺,上方為圓形板式橡膠支座,設置雙支座,1#~5#橋墩為獨柱式橋墩,設置單支座。
箱梁橋傾覆是在汽車荷載的作用下,單向受壓支座依次脫空,邊界條件失效而失去平衡的過程。結構傾覆時,事前并無明顯表征,其危害性極大。
采用整體式斷面的中小跨徑梁橋應進行上部結構抗傾覆驗算。上部結構的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)應滿足下式的要求:
式中:γqf為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù);Sbk為使上部結構傾覆的汽車荷載(含沖擊作用)標準值效應;Ssk為使上部結構穩(wěn)定的作用效應標準組合。
在作用標準值組合(汽車荷載考慮沖擊作用)下,單向受壓支座不應處于脫空狀態(tài)。
(1)對于正交橋梁、斜交角30°以內的斜交橋梁,傾覆軸線為位于箱梁橋中心線同側的橋臺支座連線,箱梁橋的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為:
式中:qk為車道荷載中均布荷載;Pk為車道荷載中集中荷載;l為橋梁全長;e為橫向最不利車道位置到傾覆軸線的垂直距離;μ為沖擊系數(shù);RGi為成橋狀態(tài)時各個支座的支反力;Xi為各個支座到傾覆軸線的垂直距離。
(2)對于彎橋,當跨中橋墩全部支座位于橋臺外側支座連線內側時,傾覆軸線為橋臺外側支座連線;當跨中橋墩全部支座位于橋臺外側支座連線外側時,傾覆軸線取為一橋臺外側支座和跨中橋墩支座連線。
箱梁橋的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為:
式中:Ω為傾覆軸線與橫向加載車道圍成的面積;e為橫向加載車道到傾覆軸線垂直距離的最大值。
綜合結構傾覆不先于結構延性破壞、實際運營汽車荷載與設計汽車荷載的相互關系,確定箱梁橋的抗傾覆系數(shù)不應小于2.5。
分析箱梁橋的傾覆過程,橋臺側支座容易脫空,這是傾覆過程的開始,此時結構受力體系發(fā)生變化,因此,在作用標準值組合(汽車荷載考慮沖擊作用)下不應出現(xiàn)支座脫空。
橋梁傾覆的前提條件是支座要脫空,通過檢查支座在汽車荷載下是否脫空,來判斷橋梁是否會傾覆。如果支座均未脫空,并且有很大富余量,則認為此橋不會傾覆。
采用Midas Civil 2010對橋梁結構進行建模計算。
連續(xù)箱梁彎橋雙支座模擬不同于普通橋梁邊界條件的模擬。首先,在支座下端建立節(jié)點,并將所有的支座節(jié)點按固結約束,這是一種模擬實際情況的建模方法。然后,復制支座節(jié)點到梁底標高位置生成支座頂部節(jié)點,并將支座節(jié)點與復制生成的頂部節(jié)點用“彈性連接”中的“一般連接”進行連接,并按實際支座剛度定義一般彈性連接的剛度,相當于建立一個支座單元,其三個方向的剛度值則是由實際工程中支座的類型和尺寸提供。最后,建立支座頂部節(jié)點與主梁節(jié)點之間的聯(lián)系。此時,利用“剛性連接”,以主梁節(jié)點作為主節(jié)點,支座頂部單元作為從節(jié)點,將其連接起來。這樣將主梁節(jié)點與支座頂部節(jié)點形成一個受力的整體,目的是為了真實的模擬其受力狀況。
主梁結構類型為普通鋼筋混凝土結構,有限元計算時將結構離散為120個梁單元,如圖1所示。
圖1 獨柱墩連續(xù)箱梁彎橋計算模型
計算中,混凝土自重去26kN/m3;二期恒載主要包括6cm厚混凝土橋面鋪裝及護欄,取15kN/m;汽車荷載采用汽車—20級車道荷載,按照車道偏載最不利的效應進行布置。根據橋梁抗傾覆的受力特點,本次驗算考慮涉及恒載及混凝土收縮徐變產生的次內力,以及上述各工況汽車荷載產生的內力,不組合沉降、溫度等荷載效應。
本次驗算共設置以下三種工況:
工況一:汽車—20級車道荷載;
工況二:1.2倍汽車—20級車道荷載;
工況三:1.4倍汽車—20級車道荷載。
成橋狀況的支座恒載反力計算結果如圖2所示。支座恒載支反力匯總表見圖1。
圖2 獨柱墩連續(xù)箱梁彎橋支座反力圖
表1 支座恒載支反力匯總表
由表1可知,該橋在成橋狀況恒載作用下,各支座均未出現(xiàn)負反力,表明支座均未脫空,并且有較大富余量,認為此時橋梁不會傾覆。
各工況下支座最小反力,分別為各支座最不利狀態(tài)下的最小支座反力。各工況作用下支座最小反力值如表2所示。
表2 支座最小支反力(單位:kN)
由表2可知,在工況一與工況二下,全橋支座均未出現(xiàn)負反力,表明支座均未脫空,并且有一定富余量,認為此時橋梁不會傾覆;在工況三下,0#橋臺內側支座及6#橋臺內側支座產生負反力,存在傾覆的可能性,需進一步計算進行驗證。
各工況作用下支座最大反力如表3所示。查詢相應支座的承載能力,對支座承載能力進行評定。
表3 支座承載力驗算表
由表3可知,全橋所有支座均滿足承載能力要求。
該橋基頻為3.77Hz,根據公式μ=0.1767lnf-0.0157,計算得出沖擊系數(shù)為0.219(見圖3)。
圖3 獨柱墩連續(xù)箱梁彎橋頻率計算圖示
該橋傾覆軸線為6#橋臺外側支座與3#墩支座連線,如圖4所示。
圖4 獨柱墩連續(xù)箱梁彎橋傾覆軸線圖
(1)工況一
箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù):
(2)工況二
抗傾覆力矩不變,傾覆力矩相比工況一增大1.2倍,因此抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為:
(3)工況三
抗傾覆力矩不變,傾覆力矩相比工況一增大1.4倍,因此抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為:
各工況作用下橋梁傾覆系數(shù)如表4所示。
表4 各工況抗傾覆系數(shù)匯總表
根據恒載和汽車荷載的計算結果,該橋支座在工況一和工況二均未產生負反力,不會發(fā)生支座脫空的現(xiàn)象。但在工況三的作用下,兩個橋臺部分支座在汽車荷載作用下出現(xiàn)負反力,應盡量避免該工況發(fā)生;支座承載力基本滿足設計要求;出現(xiàn)負反力后,經過傾覆系數(shù)計算,傾覆系數(shù)均大于2.5,滿足新規(guī)范征求意見稿的要求。通過對三個工況橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的驗算可見,橋梁雖然能夠滿足抗傾覆穩(wěn)定性的要求,但在超載重車的作用下則會出現(xiàn)支座脫空,給正常運營的獨柱墩橋梁的安全性帶來很大隱患。因此,應加強正在運營的獨柱墩橋梁的檢測和動態(tài)觀察,制定有效的檢測措施,確保其安全運營。
抗傾覆穩(wěn)定性是獨柱墩橋梁,尤其是獨柱墩彎橋的一個重要技術指標,對其進行抗傾覆驗算是必要的。當前無相關規(guī)范對橋梁的抗傾覆安全性進行評價,在獨柱墩橋梁建設的實際工作中,設計者應該對橋梁建設進行全方位、多角度的考慮,提高結構的可靠度,保證橋梁安全,為車輛的安全通行創(chuàng)造良好條件。對于已修建好的橋梁,應加強對交通的組織和管理,考慮車輛通行對橋梁可能帶來的不利影響,避免過度超載的車輛在橋上行駛,保證車輛的安全通行,保障橋梁結構的安全。
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