張 義，唐發(fā)明

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

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小半徑連續(xù)箱梁的抗傾覆穩(wěn)定性分析計(jì)算

張 義，唐發(fā)明

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

互通立交匝道橋的曲線連續(xù)箱梁在實(shí)際中越來(lái)越多的得到應(yīng)用，而梁體傾覆事故的不斷發(fā)生，在實(shí)際工程中應(yīng)該對(duì)梁體傾覆事故引起高度重視。本文采用midas civil軟件建模進(jìn)行有限元分析，對(duì)小半徑連續(xù)箱梁匝道橋分析計(jì)算梁體的抗傾覆穩(wěn)定性，為今后同類工程提供參考。

小半徑連續(xù)箱梁;車輛超載；支座脫空；抗傾覆穩(wěn)定性

0 前 言

隨著城市的發(fā)展和高速路交通網(wǎng)絡(luò)的完善，設(shè)計(jì)并建設(shè)了越來(lái)越多的互通式立交橋，而這些立交匝道橋由于地形和環(huán)境等因素的限制大都位于小半徑曲線上。在這種情況下，不論梁體下的支座如何布置，在活載偏載的作用下都會(huì)使得曲線內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)卸載的情形，嚴(yán)重的情況支座會(huì)產(chǎn)生負(fù)反力，如果在未設(shè)置拉壓支座的情況下，會(huì)造成非常嚴(yán)重的后果。針對(duì)近幾年頻繁發(fā)生由于超載車輛導(dǎo)致支座脫空使得梁體在毫無(wú)明顯征兆下傾覆的事故，本文結(jié)合車輛超載的實(shí)際情況，以一個(gè)小半徑連續(xù)箱梁匝道橋來(lái)分析計(jì)算梁體的抗傾覆穩(wěn)定性。

1 工程概況

該橋?yàn)橐粋€(gè)高速路上互通匝道橋，本橋的平面位于半徑為90 m的圓曲線上，孔跨布置為4×25 m，結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁(單箱單室)，支座采用雙支座，橫向支座中心線距離箱梁中心線15 cm，支座橫向間距3.8 m。

1.1 結(jié)構(gòu)尺寸

橋?qū)?0 m，梁高1.6 m，懸臂長(zhǎng)2.25 m，梁體斷面見(jiàn)圖1、2。

圖1 箱梁跨中標(biāo)準(zhǔn)斷面 圖2 箱梁端頭斷面

1.2 主要材料

梁體用C50混凝土，鋼絞線為低松弛高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，單根鋼絞線直徑d=15.2 mm，鋼絞線面積A=139 mm2，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105。

2 計(jì)算模型的建立

該梁體模型采用midas civil 2013軟件進(jìn)行計(jì)算分析，運(yùn)用空間桿系理論對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。該模型將梁體離散成201個(gè)節(jié)點(diǎn)和170個(gè)單元(見(jiàn)圖3)。

梁體受到的荷載：

(1)恒載：恒載包括結(jié)構(gòu)本身的自重、二期鋪裝、防撞墻的自重。

(2)活載：由于發(fā)生傾覆事故幾乎都由于汽車超載引起，故本文活載考慮三種工況:①1.0倍公路-I級(jí)荷載;②1.3倍公路-I級(jí)荷載;③集裝箱車隊(duì)自定義車道(1.2倍55 t 集卡車隊(duì))荷載(見(jiàn)圖4、5)。

(3)溫度力：均勻溫度升溫20 ℃，降溫25 ℃； 正溫度梯度：14 ℃→5.5 ℃→0 ℃;負(fù)溫度梯度：(-7)℃→(-2.75)℃→0℃。

(4)沉降：每個(gè)支座考慮5 mm的沉降。

(5)預(yù)應(yīng)力：一個(gè)腹板6根鋼束，布置3層，型號(hào)都為13ΦS15.2。

圖3 計(jì)算模型

圖4 公路-I級(jí)荷載(1.3倍公路-I級(jí)活載即是qk，Pk的數(shù)值都乘以1.3)

圖5 集裝箱車隊(duì)自定義車道(1.2倍55 t 集卡車隊(duì))荷載

3 支座豎向反力計(jì)算結(jié)果

(1)僅恒載作用下的豎向支撐反力見(jiàn)圖6。

圖6 恒載作用下豎向支撐反力(單位：kN)

(2)1.0倍和1.3倍公路-I級(jí)活載作用下的標(biāo)準(zhǔn)組合最小豎向支撐反力見(jiàn)圖7、8。

圖7 1.0倍公路-I級(jí)活載作用下的標(biāo)準(zhǔn)組合最小豎向支撐反力(單位：kN)

圖8 1.3倍公路-I級(jí)活載作用下的標(biāo)準(zhǔn)組合最小豎向支撐反力(單位：kN)

由圖可以看出：該橋在以上兩種活載工況下支座未出現(xiàn)負(fù)反力，即支座未脫空。

4 梁體在汽車超載作用下的抗傾覆驗(yàn)算

由于現(xiàn)行的橋梁規(guī)范沒(méi)有具體條文對(duì)梁體的抗傾覆計(jì)算作出明確的規(guī)定，本文梁體的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算依據(jù)采用2012年發(fā)布的《公路鋼筋混凝土及應(yīng)用力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范-征求意見(jiàn)稿》，而梁體的傾覆事故大都是汽車超載引起，故本文只驗(yàn)算梁體在活載工況②和③作用下的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。

根據(jù)《征求意見(jiàn)稿》的規(guī)定：對(duì)于彎橋，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)，傾覆軸線取為一橋臺(tái)外側(cè)支座和跨中橋墩支座連線(見(jiàn)圖9)。

圖9 傾覆軸線的位置

將工況③的重車(66 t)10 m間距荷載轉(zhuǎn)換為車道荷載均布荷載28.9 kN/m和集中荷載0 kN進(jìn)行箱梁橋抗傾覆驗(yàn)算，根據(jù)公式：

在活載工況②和③作用下的梁體抗傾覆系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1～6。

通過(guò)以上的計(jì)算可以看出，無(wú)論哪種工況抗傾覆系數(shù)都大于2.5。

表1 按傾覆軸線1作用下梁體抗傾覆系數(shù)計(jì)算表格

表2 按傾覆軸線1在活載工況②作用下的

梁體抗傾覆系數(shù)計(jì)算表格

μqk/kN·m-1Pk/kNΩ/m2e/m(1+μ)(qkΩ+Pke)γqf0．332113．6540344．221．91824148．9

表3 按傾覆軸線1在活載工況③作用下的

梁體抗傾覆系數(shù)計(jì)算表格

μqk/kN·m-1Pk/kNΩ/m2e/m(1+μ)(qkΩ+Pke)γqf0．332128．9044．221．91702．4159．5

表4 按傾覆軸線2作用下梁體抗傾覆系數(shù)計(jì)算表格

表5 按傾覆軸線2在活載工況②作用下的

梁體抗傾覆系數(shù)計(jì)算表格

μqk/kN·m-1Pk/kNΩ/m2e/m(1+μ)(qkΩ+Pke)γqf0．332113．6540348．851．941929．771．8

表6 按傾覆軸線2在活載工況③作用下的

梁體抗傾覆系數(shù)計(jì)算表格

μqk/kN·m-1Pk/kNΩ/m2e/m(1+μ)(qkΩ+Pke)γqf0．332128．9048．851．941880．673．7

5 對(duì)直線橋是否存在梁體傾覆危險(xiǎn)的思考

理論上直線橋在橫向支座受到的恒載應(yīng)該一致，不會(huì)存在彎橋曲線外側(cè)重，內(nèi)側(cè)輕的情況。但直線橋汽車荷載是按直線行駛，會(huì)使傾覆軸線和橫向最不利的車道位置所圍成的面積較彎橋更不利，這樣有可能會(huì)使得在同樣的情況下直線橋更容易發(fā)生傾覆。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候不能忽略驗(yàn)算直線橋的抗傾覆系數(shù)。

6 結(jié)論和建議

傾覆的過(guò)程是梁體支座先發(fā)生脫空，然后致使梁體在毫無(wú)征兆的情況下發(fā)生側(cè)向翻轉(zhuǎn)。在我們?cè)O(shè)計(jì)中無(wú)論直橋和彎橋都要注意驗(yàn)算支座是否會(huì)脫空以及梁體的抗傾覆系數(shù)是否符合規(guī)范的要求，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中汽車超載非常普遍，設(shè)計(jì)和驗(yàn)算又不太好考慮汽車超載，故建議在設(shè)計(jì)此類結(jié)構(gòu)時(shí)，盡可能采用雙支座或多支座，甚至拉力支座，盡量不要采用獨(dú)立支座，以最大限度地減小橋梁側(cè)翻的可能性。

在設(shè)計(jì)中為避免發(fā)生傾覆的事故，橋墩處支座在滿足擺放尺寸要求和橫梁受力要求的情況下，支座的位置應(yīng)該盡可能的拉開(kāi)，盡量避免使用獨(dú)支座。在橋臺(tái)處最好采用多支座布置在梁體下面。另外在小半徑彎橋的情況下，為使橫向支座恒載反力差別不是太大，在布置橫向支座位置時(shí)，可以使支座中心線適當(dāng)向曲線外側(cè)偏移，即在梁體橫向設(shè)置支座偏心。

2016-02-17

張義(1975-)，男，黑龍江哈爾濱人，高級(jí)工程師，從事交通設(shè)計(jì)工作。

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