(永州市交通建設投資有限公司，湖南 永州 425000)

隨著我國城市基礎建設的快速發(fā)展，城市立交橋和高架橋的結構形式越來越多樣化[1]。為提升立該結構型橋梁的適地性與行車舒適性，獨柱墩連續(xù)梁橋得到廣泛應用[2,3]。因獨柱墩橋梁的支撐方式為單點支撐，當遇到嚴重超載情況時，橋梁會出現傾覆破壞[4,5]。近年來，國內發(fā)生多起由于嚴重超載導致獨柱墩橋傾覆倒塌事故，造成巨大經濟損失和人員傷亡[6]。目前，我國橋梁設計者大多僅考慮了橋梁的抗彎、抗剪性是否符合規(guī)范要求[7,8]，而橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的安全儲備沒有足夠重視。基于此，本文基于MIDAS Civil有限元軟件，分別對4種不同車道荷載形式下的獨柱墩連續(xù)箱梁橋進行抗傾覆穩(wěn)定性研究，分析結果可為獨柱墩連續(xù)梁橋的抗傾覆設計提供理論依據。

1 工程概況

依托某高架橋左幅第3聯為背景，其上部結構為5×23.08 m的預應力混凝土連續(xù)箱梁，下部結構采用獨柱墩、承臺接灌注樁基礎。該橋為單箱4室箱梁，采用滿堂支架現澆施工，主梁高度為1.5 m，頂板和底板寬度分別為13.5、6.3 m。橋梁設計荷載等級為公路-Ⅰ級。橋梁總體布置如圖1所示。

圖1 橋梁布置圖(單位： cm)

2 建立模型

考慮到獨柱墩連續(xù)箱梁橋的構造特點及計算精度要求，運用MIDAS Civil有限元軟件，采用梁單元法建立全橋計算模型，針對不同荷載下預應力混凝土連續(xù)梁橋進行抗傾覆穩(wěn)定性分析。全橋模型如圖2所示，模型中支座本身采用彈性連接方式，支座與主梁和墩頂的連接方式分別采用剛性連接、固結模擬，整個模型中共265個節(jié)點，230個單元，模型坐標系中X、Y、Z分別表示橋梁的縱向、橫向、豎向。全橋支座布置情況如圖3所示，其中支座1～6號為雙向支座，7、8號及10～12為單向支座，9號為固定支座。

圖2 全橋有限元模型

圖3 支座編號

模型分析過程中主要考慮了混凝土收縮和徐變、結構自重、汽車荷載、基礎變位、整體溫度、預應力以及溫度梯度的作用。其中二期荷載取40 kN/m，基礎變位0.008 m；系統(tǒng)溫度考慮整體升降溫均為20 ℃；溫度梯度考慮正溫差T1=14 ℃，T2=5.5 ℃；反溫差T1=-7 ℃，T2=-2.75 ℃，各項取值均滿足規(guī)范要求。依據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》JTG D62—2012中規(guī)程分別確定主梁材料C40混凝土的收縮及徐變系數，其函數曲線如圖4所示。

圖4 混凝土的收縮應變及徐變系數

目前，國內在橋梁抗傾覆穩(wěn)定性方面的研究還處于發(fā)展階段，因此抗傾覆穩(wěn)定的規(guī)范尚不成熟，由于橋梁超載現象較為嚴重，其抗傾覆穩(wěn)定性驗算僅采用公路—Ⅰ級荷載可能會導致結果存在偏差?；诖?，本文綜合考慮了《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》JTG D62—2012、《橋梁上部結構抗傾覆驗算荷載的規(guī)定》和《公路橋涵設計通用規(guī)范》JTG D60—2015等規(guī)范中提及的車載形式，擬定4種不同車道荷載條件，針對該高架橋抗傾覆穩(wěn)定性展開系統(tǒng)分析。各車道荷載情況如表1所示。

表1 擬定車道荷載情況序號荷載形式實際情況序號荷載形式實際情況1公路-Ⅰ級標準355t重車重度超載21 3倍公路-Ⅰ級一般超載43倍公路-Ⅰ級嚴重超載

在模擬分析過程中為保證各車道荷載作用下主梁能夠發(fā)生最大程度的橫向傾覆效應，參考橋梁傾覆損害的荷載特征，將4種不同荷載均布置于該橋梁單向3車道的最外側車道，具體車載布置情況如圖5所示。橋梁重要性系數和車輛活載沖擊系數分別取1.0、1.26，依據《公路橋涵設計通用規(guī)范》JTG D60—2015中相關規(guī)定，將各作用效應組合成4種不同工況，并對其進行抗傾覆穩(wěn)定性分析，具體工況如表2所示。

圖5 車輛荷載布置示意(單位： cm)

表2 模擬組合工況工況永久作用汽車荷載(計沖擊)全橋整體升溫全橋整體降溫工況1正溫差工況2反溫差工況3正溫差工況4反溫差

3 抗傾覆穩(wěn)定性分析

3.1 傾覆軸線的確定

當橋梁受到較大車載偏載作用時，其邊界條件會因支座的脫空而失效，造成橋梁整體失衡發(fā)生傾覆破壞。研究橋梁抗傾覆穩(wěn)定性時，首先需要確定傾覆軸線，由于模擬試驗中的橋梁屬于直線梁式橋，且中墩和邊墩兩者的支點間距相等，因此該橋的傾覆軸線為車輛荷載作用在側支座的連線，其傾覆軸線如圖6所示。

圖6 橋梁傾覆軸線示意

3.2 不同車載條件下抗傾覆穩(wěn)定性分析

通過對不同車道荷載作用下的模擬橋梁進行抗傾覆穩(wěn)定性數值分析，得出最大傾覆效應時各支座的反力，并依據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》JTG D62—2012中相關規(guī)定，采用下述公式計算出橋梁的抗傾覆穩(wěn)定系數。

(1)

式中：kqf表示抗傾覆穩(wěn)定系數；RGi表示成橋時各支座反力；xi表示各支座至傾覆軸線的垂直長度；μ表示沖擊系數；qk和pk分別表示車道荷載中均布、集中荷載；l表示橋梁整體長度；e表示橫向最不利車道處至傾覆軸線的垂直長度。計算過程中各參數如表3所示，不同荷載作用下橋梁支座反力的變化曲線如圖7所示，抗傾覆穩(wěn)定系數變化曲線如圖8所示。

表3 計算參數沖擊系數1+μ橋梁全長l/m車道至傾覆軸距離e/m支座至傾覆軸距離x/m1．26115．352．772．34

圖7 不同荷載作用下支座反力變化曲線

圖8 抗傾覆穩(wěn)定系數變化曲線

從圖7中可看出，在不同車道荷載形式及工況情形下，橋梁的各支座均沒有發(fā)生脫空現象，表明符合《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》JTG D62—2012和《公路橋涵設計通用規(guī)范》JTG D60—2015相關規(guī)定。由不同荷載形式下各工況支座反力數據可知，工況1、3的支座反力基本相同，而工況2、4的支座反力也大致相似，表明整體升降溫不會對支座反力產生明顯影響；工況1、2中相同位置的支座反力約差39 kN，表明溫度梯度能夠對支座反力產生較大影響。另外，相同車輛荷載形式下不同工況的橫向抗傾覆系數均一致。

由圖7可知，當橋梁受到車載偏載作用時，各工況支座反力的變化曲線均基本相似，其中橋梁兩端的支座反力值最小，而跨中處的反力值最大，支座反力的變化趨勢均沿邊墩至跨中逐漸上升。根據整個橋梁的支座反力變化曲線可知，車載作用的一側較于另一側明顯要大，同時也可表明該類型橋梁的邊支座較于其他支座更具脫空破壞風險，因此在設計獨柱支承的連續(xù)梁橋時應著重注意。根據圖8可知，橋梁的抗傾覆系數隨著車輛荷載的增大逐漸減小，使得其抗傾覆穩(wěn)定性也隨之下降。

不同車道荷載形式下橋梁產生的荷載如表4所示。根據表中數據可知，該獨柱墩連續(xù)箱梁橋在公路—Ⅰ級(即標準設計荷載)作用下產生的荷載為1463.6 kN；在1.3倍公路—Ⅰ級車輛荷載作用下產生荷載達1902.6 kN，同時說明該橋超載30%。而在橋梁實際運營中經常出現55 t重車荷載情況，其產生荷載約為1.3倍公路—Ⅰ級車輛荷載的1倍，因此針對獨柱墩連續(xù)箱梁橋進行抗傾覆穩(wěn)定性驗算時，以公路—Ⅰ級和1.3倍公路—Ⅰ級為驗算荷載顯然無法滿足安全要求，但使用更重形式的荷載來驗算時，易造成實際橋梁的造價過高、結構過于保守等問題。綜合上述分析可知，在獨柱墩連續(xù)箱梁橋車道荷載的驗算過程中，應結合橋梁的交通實況，適當提高驗算車輛的總荷載，并基于可靠度理論確定抗傾覆穩(wěn)定性的安全儲備限值，從而確保實際運營中梁式橋具有更加良好的安全性和經濟性。

表4 不同荷載形式下橋梁產生的荷載類型總荷載/kN公路-Ⅰ級1463 61 3倍公路-Ⅰ級1902 655t重車3927 23倍公路-Ⅰ級4390 8

4 結論

1) 相同車輛荷載形式下不同工況的橫向抗傾覆系數均一致；整體升降溫不會對支座反力產生明顯影響，而溫度梯度能夠對支座反力產生一定影響；橋梁的抗傾覆系數隨著車輛荷載的增大逐漸減小，使得其抗傾覆穩(wěn)定性也隨之下降。

2) 在獨柱墩連續(xù)箱梁橋車道荷載的驗算時，應綜合考慮橋梁的交通實況，適當提高驗算車輛的總荷載，并基于可靠度理論確定出抗傾覆穩(wěn)定性的安全儲備限值，以確保實際運營中梁式橋具有更加良好的安全性和經濟性。

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