殷新鋒，楊小旺，豐錦銘，李萊

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南　長(zhǎng)沙　410004）

獨(dú)柱墩連續(xù)彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定影響因素分析?

殷新鋒，楊小旺，豐錦銘，李萊

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410004）

以某獨(dú)柱墩三跨連續(xù)彎箱梁橋?yàn)楸尘?，采用有限元軟件建立不同參?shù)彎橋分析模型，分析了曲率半徑、橋梁跨數(shù)、梁端雙支座間距等因素對(duì)彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，曲率半徑、橋梁長(zhǎng)度和梁端雙支座間距對(duì)彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定性影響很大，增加曲率半徑、橋梁跨數(shù)和梁端雙支座間距可減小彎梁橋發(fā)生整體傾覆的可能，提高橋梁抗傾覆能力。

橋梁；獨(dú)柱墩；連續(xù)彎梁橋；曲率半徑；橋梁跨數(shù)；梁端雙支座間距

獨(dú)柱墩連續(xù)彎梁橋因其橋下占用空間小、整體結(jié)構(gòu)美觀、能很好地適應(yīng)地形限制、保持路線線形流暢的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于城市高架橋梁和高速公路匝道橋梁。但由于獨(dú)柱墩通常只設(shè)置單支座，在汽車(chē)偏載作用下，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性非常不利。近年國(guó)內(nèi)發(fā)生了多起彎梁橋傾覆事故， 如2009年7月津晉高速公路港塘收費(fèi)站外連續(xù)獨(dú)柱墩匝道橋因3輛嚴(yán)重超載車(chē)輛為避讓前方逆行車(chē)輛而偏離行車(chē)道密集停置導(dǎo)致橋梁傾覆，2015年6月粵贛高速公路廣州往河源方向城南出口連續(xù)獨(dú)柱墩匝道橋因車(chē)輛載重過(guò)大使橋面受力嚴(yán)重偏向曲線外側(cè)而導(dǎo)致橋梁傾覆，這些事故的出現(xiàn)引起了很多橋梁工作者的關(guān)注。徐振、任艾柱等釆用有限元程序建立虛擬場(chǎng)景模擬橋梁傾覆，對(duì)傾覆橋梁的內(nèi)力和位移進(jìn)行了研究；劉德華等分析了支座預(yù)偏心對(duì)曲線箱梁端部?jī)?nèi)外側(cè)支座反力分配的影響；Bryant G.Nielson研究了地震激勵(lì)下橋梁支座的受力機(jī)制與響應(yīng)特性。以上研究尚未對(duì)曲率半徑、橋梁長(zhǎng)度和梁端雙支座間距對(duì)彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定性能的影響作系統(tǒng)總結(jié)。該文以某高速公路三跨獨(dú)柱墩彎梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，分別建立不同曲率半徑和不同跨數(shù)彎橋有限元模型，并調(diào)整彎梁橋梁端雙支座間距，計(jì)算這些橋型的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，為獨(dú)柱墩連續(xù)彎梁橋設(shè)計(jì)提供參考。

1　橋梁抗傾覆計(jì)算依據(jù)

箱梁橋傾覆過(guò)程是在汽車(chē)荷載的偏載作用下，單向受壓支座依次脫空，由邊界條件失效而失去平衡的過(guò)程。

《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》（征求意見(jiàn)稿）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，上部結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)滿足下式要求：

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

傾覆軸線為汽車(chē)荷載作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆時(shí)繞支點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)軸線。對(duì)彎橋來(lái)說(shuō)，傾覆軸線隨曲線半徑和橋梁跨徑不同而變化，選擇不同的支點(diǎn)連線，可能有不同的傾覆軸線。當(dāng)跨中橋墩全部支座位于橋臺(tái)外側(cè)支座連線內(nèi)側(cè)時(shí)，傾覆軸線為橋臺(tái)外側(cè)支座連線；當(dāng)跨中橋墩全部支座位于橋臺(tái)外側(cè)支座連線外側(cè)時(shí)，傾覆軸線為跨中橋墩支座連線或外側(cè)橋臺(tái)支座與跨中橋墩支座連線。箱梁的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算公式如下：

式中：RGi為成橋狀態(tài)時(shí)各支座的支反力；xi為各支座到傾覆軸線的垂直距離；μ為橋梁結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)； qk為公路-Ⅰ級(jí)車(chē)道荷載中均布荷載；Ω為傾覆軸線與橫向加載車(chē)道圍成的面積；pk為車(chē)道荷載中集中荷載；e為橫向最不利加載車(chē)道到傾覆軸線垂直距離的最大值。

沖擊系數(shù)參照J(rèn)TG D60-2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，采用有限元軟件計(jì)算橋梁基頻后得到。計(jì)算公式如下：

式中：f為箱梁橋的固有振動(dòng)頻率（Hz）。

2　有限元模型的建立

以跨徑（20+25+20）m、曲率半徑R=400 m、梁端雙支座間距為5 m的獨(dú)柱墩彎梁橋?yàn)楣こ瘫尘斑M(jìn)行分析。該橋?yàn)榈冉孛骖A(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁橋，梁高1.5 m，橋面寬度12 m，箱梁底寬7.5 m。圖1為該橋跨中橫斷面示意圖。

圖1　某獨(dú)柱墩彎梁橋跨中截面橫斷面（單位：m）

采用結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS/Civil分別建立固定跨數(shù)（20+25+20）m下不同曲率半徑R=50、100、200、400 m和固定曲率半徑400 m下不同跨數(shù)（20+2×25+20、20+3×25+20、20+4×25+20、20+5×25+20）m連續(xù)彎梁橋有限元模型（見(jiàn)圖2 ～3），通過(guò)調(diào)整梁端雙支座間距，對(duì)比分析曲率半徑、橋梁長(zhǎng)度、梁端雙支座間距等因素對(duì)彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定性的影響。

圖2　固定跨數(shù)時(shí)不同曲率半徑連續(xù)彎梁橋計(jì)算模型

圖3　固定曲率半徑時(shí)不同跨數(shù)連續(xù)彎梁橋計(jì)算模型

計(jì)算中考慮恒載、支座不均勻沉降、溫度和活載的作用。荷載參數(shù)取值如下：

（1）恒載。砼容重26 k N/m3，橋面鋪裝8～15 cm，單側(cè)護(hù)欄每延米重10.5 k N/m。

（2）支座不均勻沉降按8 mm計(jì)算。

（3）溫度荷載按JTG D60-2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》規(guī)定計(jì)算。

（4）活載。為公路-Ⅰ級(jí)雙車(chē)道荷載，按照J(rèn)TG D60-2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》規(guī)定采用橫向最不利偏外側(cè)加載，傾覆最不利加載車(chē)道中心線距橋梁曲線外側(cè)邊緣1.9 m。

3　抗傾覆穩(wěn)定影響因素分析

3.1曲率半徑的影響

以跨徑（20+25+20）m、曲率半徑R=400 m、梁端雙支座間距5 m的某獨(dú)柱墩彎梁橋?yàn)槔?，通過(guò)調(diào)整曲率半徑（R=50、100、200、400 m）來(lái)分析其對(duì)彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定性的影響。

3.1.1沖擊系數(shù)計(jì)算

不同曲率半徑彎梁橋的沖擊系數(shù)見(jiàn)表1。

表1　不同曲率半徑彎梁橋的沖擊系數(shù)

3.1.2最不利傾覆加載范圍面積計(jì)算

不同曲率半徑橋梁最不利傾覆加載影響范圍見(jiàn)圖4中陰影部分，傾覆面積與偏心距見(jiàn)表2。

3.1.3抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算

不同曲率半徑連續(xù)彎梁橋傾覆計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3 ～4，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)與曲率半徑的關(guān)系見(jiàn)圖5。

圖4　固定跨數(shù)時(shí)不同曲率半徑連續(xù)彎梁橋傾覆范圍

表2　不同曲率半徑彎梁橋傾覆面積與偏心距

表3　不同曲率半徑彎梁橋支座到傾覆軸線的垂直距離m

由表5可知：不同曲率半徑橋梁的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

表4　橫載作用下不同曲率半徑彎梁橋支座反力

表5　不同曲率半徑彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖5　彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)與曲率半徑的關(guān)系

由圖5可知：當(dāng)曲率半徑為50～200 m時(shí)，連續(xù)彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨曲率半徑的增大而逐漸減小；當(dāng)曲率半徑為200～400 m時(shí)，連續(xù)彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨曲率半徑的增大而逐漸增大，曲率半徑較大的橋梁抗傾覆能力較強(qiáng)。

3.2跨數(shù)的影響

以上述獨(dú)柱墩彎梁橋?yàn)槔?，通過(guò)調(diào)整橋梁跨數(shù)（20+2×25+20、20+3×25+20、20+4×25+20、20+5×25+20）m來(lái)分析其對(duì)彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定性的影響。

3.2.1沖擊系數(shù)計(jì)算

不同跨數(shù)彎梁橋的沖擊系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6　不同跨數(shù)彎梁橋的沖擊系數(shù)

3.2.2 最不利傾覆加載范圍面積計(jì)算

不同跨數(shù)橋梁最不利傾覆加載影響范圍見(jiàn)圖6中陰影部分，傾覆面積與偏心距見(jiàn)表7。

圖6　固定半徑時(shí)不同跨數(shù)連續(xù)彎梁橋傾覆范圍

表7　不同跨數(shù)彎梁橋傾覆面積與偏心距

3.2.3抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算

不同跨數(shù)橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表8 ～11，不同跨數(shù)彎梁橋的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表12，彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)與橋梁跨數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖7。

表8　四跨彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算參數(shù)

表10　六跨彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算參數(shù)

表11　七跨彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算參數(shù)

由表12可知：不同跨數(shù)彎梁橋的抗傾覆系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

表12　不同跨數(shù)彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖7　彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)與跨數(shù)的關(guān)系

由圖7可知：當(dāng)橋梁跨數(shù)為4～7跨時(shí)，彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨跨數(shù)增多而逐漸增大，跨數(shù)較多的橋梁抗傾覆能力較強(qiáng)。

3.3梁端雙支座間距的影響

以上述獨(dú)柱墩彎梁橋?yàn)槔ㄟ^(guò)調(diào)整梁端雙支座間距（4.5、4、3.5、3 m）來(lái)分析其對(duì)彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定性的影響。

3.3.1沖擊系數(shù)計(jì)算

不同梁端雙支座間距彎梁橋的沖擊系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表13。

表13　不同梁端雙支座間距彎梁橋的沖擊系數(shù)

3.3.2最不利傾覆加載范圍面積計(jì)算

不同梁端雙支座間距彎梁橋最不利傾覆加載影響范圍見(jiàn)圖8中陰影部分，傾覆面積與偏心距見(jiàn)表14。

3.3.3抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算

不同梁端雙支座間距彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表15，不同梁端雙支座間距彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表16，彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)與梁端雙支座間距的關(guān)系見(jiàn)圖9。

圖8　不同梁端雙支座間距連續(xù)彎梁橋傾覆范圍

表14　不同梁端雙支座間距彎梁橋傾覆面積與偏心距

由表16可知：當(dāng)梁端雙支座間距為3 m時(shí)，彎梁橋的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不滿足規(guī)范要求，其他橋型的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

由圖9可知：隨梁端雙支座間距的增大，連續(xù)彎梁橋抗傾覆能力逐漸增強(qiáng)，即梁端雙支座間距較大的橋梁抗傾覆能力較強(qiáng)。

4　結(jié)論與建議

該文以一座三跨連續(xù)彎梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，建立了不同曲率半徑和不同跨?shù)彎梁橋有限元模型，通過(guò)調(diào)整原設(shè)計(jì)橋型的梁端雙支座間距和獨(dú)柱墩單支座偏心距，分析了影響?yīng)氈者B續(xù)彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定性的因素，得出以下結(jié)論：

表15　不同梁端雙支座間距彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算參數(shù)

表16　不同梁端雙支座間距抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖9　彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)與梁端雙支座間距的關(guān)系

（1）當(dāng)曲率半徑大于200 m時(shí)，相同跨數(shù)下獨(dú)柱墩彎梁橋的抗傾覆能力隨著曲率半徑的增大而逐漸增強(qiáng)。

（2）當(dāng)橋梁長(zhǎng)度大于90 m時(shí)，相同曲率半徑下獨(dú)柱墩彎梁橋的抗傾覆能力隨著橋梁跨數(shù)的增多而逐漸增強(qiáng)。

（3）在彎梁橋曲率半徑和跨數(shù)固定的情況下，增大梁端雙支座間距可提高橋梁的抗傾覆能力。

對(duì)于獨(dú)柱墩連續(xù)彎梁橋，設(shè)計(jì)人員應(yīng)仔細(xì)進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算，必要時(shí)可增加曲率半徑、橋梁跨數(shù)和梁端雙支座間距等影響因素驗(yàn)算，以提高連續(xù)彎梁橋的抗傾覆能力。

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U448.21

A

1671-2668（2016）01-0156-06

2015-10-30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51108045）；湖南省高校創(chuàng)新平臺(tái)開(kāi)放基金項(xiàng)目（13k051）