高翔宇， 任偉新

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院， 安徽 合肥　230009)

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考慮梁體橫向側(cè)移的獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性分析

高翔宇， 任偉新

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院， 安徽 合肥230009)

摘要：基于某獨(dú)柱墩多跨連續(xù)梁橋?qū)嵗?，研究了該類橋梁在梁體發(fā)生橫向側(cè)移時(shí)的抗傾覆穩(wěn)定性。討論了支座間距、雙支座個(gè)數(shù)及曲線半徑三個(gè)因素對(duì)獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的影響。得出的結(jié)論可為獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆穩(wěn)定設(shè)計(jì)工作提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：橫向側(cè)移； 獨(dú)柱墩橋梁； 抗傾覆穩(wěn)定性

0引言

受地形、地物、占地面積、城市景觀等因素的影響，城市立交橋、高架橋以及高速公路匝道橋常采用獨(dú)柱支承[1]。獨(dú)柱墩墩頂橫橋向?qū)挾扔邢蓿瑢?dǎo)致設(shè)置雙支座時(shí)橫向間距小，有時(shí)只能采用單個(gè)支座支承，橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性較差[2]。目前的研究很少考慮梁體側(cè)移對(duì)獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的影響[3，4]，而橋梁在運(yùn)營過程中受到種種因素(比如溫度效應(yīng))的作用，梁體會(huì)發(fā)生橫向位移[5]?？紤]到橫向位移的存在，獨(dú)柱墩橋梁在汽車超重偏載的作用下極易發(fā)生傾覆。因此，研究梁體發(fā)生橫向側(cè)移的獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性具有重要意義。本文選取某互通式立交橋，對(duì)其有代表性的一聯(lián)獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析，然后以此為基礎(chǔ)，通過設(shè)置不同的側(cè)移量、不同個(gè)數(shù)的雙支座、支座間距和曲線半徑進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析，得出了一些有意義的結(jié)論，可對(duì)正在運(yùn)營的獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆分析及以后類似橋梁的抗傾覆穩(wěn)定設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算方法及工況設(shè)置

《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 D62-2012)討論稿(以下簡稱《討論稿》)中規(guī)定，采用整體式斷面的中小跨徑梁橋應(yīng)進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)不小于2.5，并給出了相應(yīng)的計(jì)算公式。

(1)

式中：γqf為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；Sbk為使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合；Ssk為使上部結(jié)構(gòu)傾覆的汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)。

對(duì)于直線橋，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)定義如下：

(2)

式中：RGi為支座反力；μ為沖擊系數(shù)；qk為車道荷載中均布荷載；Pk為車道荷載中集中荷載；l為橋梁跨徑，xi為各支座到傾覆軸線的垂直距離；e為橫向最不利車道位置到傾覆軸線的垂直距離。

對(duì)于曲線橋，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)定義如下：

(3)

其中，Ω為傾覆軸線與橫向加載車道圍成的面積，其他同上。

橋梁傾覆示意圖見圖1。

圖1　橋梁傾覆示意

合肥市五里墩立交橋是獨(dú)柱支承的梁式橋，由于其部分匝道某些聯(lián)發(fā)生了較大的橫向側(cè)移及其他破損，于2014年進(jìn)行了加固維修。維修之前，其支座間距為0.7 m，維修后對(duì)支座進(jìn)行了更換，且支座間距調(diào)整為1.8 m，支座布置見圖2?，F(xiàn)取其A3匝道某聯(lián)(2×20+4×25)m現(xiàn)澆連續(xù)箱梁對(duì)其抗傾覆穩(wěn)定狀況進(jìn)行分析，并討論不同參數(shù)對(duì)梁體發(fā)生側(cè)移的獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性的影響。

圖2橋梁支座布置

荷載工況考慮箱梁自重及汽車荷載(含沖擊作用)，荷載值均為規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值?？紤]不同偏載(見圖3)作用下橋梁的傾覆狀況，設(shè)置以下3種汽車荷載工況并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行荷載組合。

工況1：《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中公路-I級(jí)車道荷載，為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)荷載，布置外側(cè)一個(gè)車道。

工況2：1.5倍公路-I級(jí)車道荷載，布置外側(cè)一個(gè)車道。

工況3：2.0倍公路-I級(jí)車道荷載，布置外側(cè)一個(gè)車道。

圖3　偏載加載布置(單位： m)

2抗傾覆穩(wěn)定性影響因素

2.1支座間距

橋梁為直橋，中間墩柱及橋臺(tái)都是雙支座支承，支座間距分別為0.7、 1.2、 1.8 m。對(duì)于直橋，定義加載車道荷載的一側(cè)為外側(cè)，梁體向外側(cè)發(fā)生側(cè)移，傾覆軸線為箱梁橋中心線外側(cè)橋臺(tái)支座連線。有限元計(jì)算結(jié)果如表1、圖4所示。

表1 不同支座間距時(shí)1#墩內(nèi)側(cè)支座最小支反力支座間距/m支反力/kN梁未發(fā)生側(cè)移梁發(fā)生100mm側(cè)移自重工況1工況2工況3自重工況1工況2工況30.7456.9327.0262.1197.1414.6278.3210.1142.01.2456.9343.9287.3230.8424.6299.9240.6181.31.8456.9364.7318.6272.5423.4326.7278.3229.9 注:因支反力數(shù)據(jù)較多,僅列出最易脫空的1#墩內(nèi)側(cè)支座支反力,下同。

圖4　不同支座間距時(shí)橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

從表1及圖4可以看出，支座間距為0.7 m時(shí)，在各工況荷載作用下，梁未發(fā)生側(cè)移及發(fā)生100 mm橫向側(cè)移時(shí)支座均未出現(xiàn)負(fù)反力，滿足《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)和《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 D62-2004)中支座不得脫空的規(guī)定[6，7]；但橋梁的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均小于2.5，不滿足《討論稿》關(guān)于抗傾覆穩(wěn)定性的要求。支座間距增大為1.8 m后，在工況1、2荷載作用下，橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)滿足要求，在工況3荷載作用下，梁發(fā)生100 mm側(cè)移時(shí)其抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)已小于2.5，不滿足要求。經(jīng)計(jì)算分析，隨著橋梁所受荷載的增大和梁體橫向側(cè)移值的增加，獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)減小，抗傾覆穩(wěn)定性降低。增大支座間距可以降低梁體側(cè)移對(duì)獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的不利影響，提高獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性。

2.2雙支座個(gè)數(shù)

橋梁為直橋，中間墩柱分別設(shè)置1個(gè)、3個(gè)及5個(gè)雙支座，橋臺(tái)為雙支座，支座間距均為1.8 m。有限元計(jì)算結(jié)果如表2、圖5所示。

表2 不同雙支座個(gè)數(shù)時(shí)1#墩內(nèi)側(cè)支座最小支反力雙支個(gè)數(shù)支反力/kN梁未發(fā)生側(cè)移梁發(fā)生100mm側(cè)移自重工況1工況2工況3自重工況1工況2工況31464.1268.8171.273.6406.3192.987.4-18.13468.8309.3229.6149.9421.2253.8170.186.45456.9364.7318.6272.5423.4326.7278.3229.9

圖5　不同雙支座個(gè)數(shù)時(shí)橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表2及圖5可知，設(shè)置不同個(gè)數(shù)雙支座的橋梁，梁體發(fā)生橫向側(cè)移時(shí)，其抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)減小。對(duì)比圖4可知，設(shè)置少數(shù)間距大的雙支座比全部采用間距較小的雙支座對(duì)橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性更為有利。中間墩柱支座間距一定時(shí)，增加雙支座的個(gè)數(shù)對(duì)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的提升作用較小，但是增加雙支座的個(gè)數(shù)有利于支反力的合理分布。在工況3作用下，不同個(gè)數(shù)雙支座橋梁的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均減小至2.5以下，梁體發(fā)生100 mm橫向側(cè)移后，設(shè)置1個(gè)雙支座的橋梁已經(jīng)出現(xiàn)支座脫空，而設(shè)置5組雙支座的橋梁支座離脫空仍有很大的富余。經(jīng)計(jì)算分析，增加中間墩柱雙支座的個(gè)數(shù)，可以提高梁體發(fā)生側(cè)移的獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性。

2.3曲線半徑

橋梁為彎橋，曲線半徑分別為90、 150、 250 m，橋梁中間墩柱設(shè)置2組雙支座，支座間距與邊支座間距相同，均為1.8 m。對(duì)于彎橋，定義曲線凸側(cè)為外側(cè)，凹側(cè)為內(nèi)側(cè)，車道荷載加載在外側(cè)車道，梁體向外側(cè)發(fā)生側(cè)移。有限元計(jì)算結(jié)果如表3、圖6所示。

表3 不同曲線半徑時(shí)1#墩內(nèi)側(cè)支座最小支反力半徑/m支反力/kN梁未發(fā)生側(cè)移梁發(fā)生100mm側(cè)移自重工況1工況2工況3自重工況1工況2工況390428.5257.9172.787.4385.0206.3117.027.6150444.6275.9191.5107.1396.3218.7129.941.1250454.6287.2203.5119.8404.8229.1141.253.3

圖6　不同曲線半徑時(shí)橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表3及圖6可知，對(duì)不同半徑的橋梁，承受相同的荷載時(shí)，梁體發(fā)生橫向側(cè)移后獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)減小，邊支座支反力減小，抗傾覆穩(wěn)定性降低。圖6b表明，隨著荷載的增大，彎橋的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨之減小，但在工況3的作用下，梁體發(fā)生100 mm側(cè)移后，橋梁的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)仍大于2.5。對(duì)比直線橋的計(jì)算結(jié)果，可知在梁體發(fā)生側(cè)移后，曲線半徑小的獨(dú)柱墩彎橋比直線橋或半徑較大的橋更易出現(xiàn)邊支座脫空，但由于小半徑彎橋的支座位于穩(wěn)定的平面上，而直橋或大半

徑彎橋，其支座位于一條直線上，因此小半徑彎橋的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)更大，具有更好的抗傾覆穩(wěn)定性。

3結(jié)論

本文通過對(duì)梁體發(fā)生側(cè)移的獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

1) 隨著荷載和梁體側(cè)移值的增大，獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)減小，邊支座支反力減小，橋梁發(fā)生傾覆的風(fēng)險(xiǎn)增加。

2) 增大支座間距可以降低梁體側(cè)移對(duì)獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的不利影響，提高獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性；中間墩柱支座間距一定時(shí)，增加雙支座的個(gè)數(shù)對(duì)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的提升作用較小，但可使支反力的分布更均勻，對(duì)降低梁體發(fā)生側(cè)移的獨(dú)柱墩橋梁的傾覆風(fēng)險(xiǎn)有一定作用。

3) 小半徑獨(dú)柱墩彎橋比直橋或大半徑彎橋更易出現(xiàn)邊支座脫空現(xiàn)象，但小半徑獨(dú)柱墩彎橋具有較大的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。建議進(jìn)行獨(dú)柱墩彎橋設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮前述兩種因素，通過計(jì)算分析確定合理的曲線半徑。

4) 設(shè)置少數(shù)間距大的雙支座比全部采用間距較小的雙支座對(duì)橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性更為有利。建議在使用獨(dú)柱墩支承時(shí)將橋臺(tái)及部分中墩設(shè)置為雙支座形式，并盡可能增大支座間距。

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中圖分類號(hào)：U 448.21

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-844X(2016)01-0087-03