鄭小穎 王開太 王海軍 王曉菲 李志勇 喬建迪
(1.寧波交投公路營運管理有限公司 寧波 315000; 2.寧波市交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司 寧波 315000)
隨著我國高速公路車輛大型化、重載化,橋梁的傾覆問題也越來越引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。在公開報道中,近年來國內(nèi)外發(fā)生了多起箱梁橋的傾覆事故[2-4]。
本文以高速公路上某匝道橋為例,通過數(shù)值模擬的方法,建立有限元計算模型,并結(jié)合正交試驗的方法,分析曲線半徑、支座間距及橋梁縱坡對曲線梁橋抗傾覆能力的影響。
某互通匝道橋第6聯(lián)為3×20 m普通鋼筋混凝土連續(xù)箱梁,箱梁采用單箱雙室截面,頂板寬10.5 m,聯(lián)段主梁平面位于R=100 m的圓曲線段上。設(shè)計荷載為公路-I級。
為準(zhǔn)確計算箱梁支撐反力,進行上部結(jié)構(gòu)建模,利用midas Civil分析軟件實現(xiàn)對橋梁上部結(jié)構(gòu)的模擬,全橋模型共劃分節(jié)點77個,單元68個,結(jié)構(gòu)模型見圖1。
圖1 結(jié)構(gòu)模型
《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(征求意見稿)中明確規(guī)定,除橋梁抗傾覆系數(shù)不應(yīng)小于2.5之外,在作用標(biāo)準(zhǔn)值組合(汽車荷載考慮沖擊作用)下不應(yīng)出現(xiàn)支座脫空的情況發(fā)生。鑒于此,本文在后續(xù)研究中,主要考察以下2種活載工況。
工況一。現(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》[5]中公路-Ⅰ級,本工況為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計荷載。
工況二。1.3倍公路-I級荷載,本工況為模擬一般超載情況。
基于工程實例的標(biāo)準(zhǔn)有限元模型計算在各工況下橋梁是否存在支座脫空的情況。表1為在上述2種工況下橋梁各支座反力的最小值。
表1 支座最小支反力 kN
注:1.支座反力中正號為壓力,負(fù)號為拉力;2.支反力已計入沖擊系數(shù); 3.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。
由表1可見,在恒載+公路-I級標(biāo)準(zhǔn)值組合(工況一)下,支座均未發(fā)生脫空,說明該橋梁結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求;在恒載+1.3倍公路-I級荷載組合(工況二)下,1號墩和5號墩向心側(cè)支座均發(fā)生了脫空現(xiàn)象,說明該橋在車輛超載的情況下,存在一定傾覆風(fēng)險。
為提高參數(shù)敏感性分析的效率,本文選用正交試驗法[6]對影響橋梁傾覆穩(wěn)定性的多個影響因素進行分析,該方法的基本原理就是在所考慮的若干個因素和水平中,挑選出最具代表性的試驗組合,進而科學(xué)合理的搭配試驗,從而大大提高試驗效率,試驗結(jié)果更具代表性和針對性,更能全面地反映客觀結(jié)果。
本文選擇的正交試驗因素為梁橋曲線半徑(因素A)、支座間距(因素B)與橋梁縱坡(因素C)。其中曲線半徑根據(jù)實際橋梁的應(yīng)用情況,在試驗中取R=50,100,200 m 3個水平;支座間距在試驗中選擇2,3和4 m 3個水平;橋梁縱坡選擇0%,2%及5% 3個水平。將上述因素水平列于表2,利用正交表L9(34)安排的正交試驗方案見表3。
表2正交設(shè)計因素水平表
表3 正交試驗方案
表4給出了本文正交試驗9個模型在工況一和工況二下的最小支座反力情況,其中正值表示支座受壓,負(fù)值表示支座脫空。
表4 正交試驗有限元分析支座反力結(jié)果 kN
由表4可見:①出現(xiàn)支座脫空的情況均發(fā)生于邊墩(1號墩和4號墩),中墩均未發(fā)生脫空現(xiàn)象;②在其他條件相同的情況下,工況二產(chǎn)生的支座反力均小于工況一,可見,在車輛超載情況下,橋梁傾覆風(fēng)險大增;③通過進一步對比分析可知,曲線半徑越小,橋梁更易傾覆,支座間距越小,橋梁更易傾覆,橋梁縱坡越大,橋梁更易傾覆。
為進一步分析確定曲線半徑、支座間距及橋梁縱坡對橋梁抗傾覆能力的影響程度。分別對邊墩和中墩支座的最小支座反力進行了列表分析,見表5和表6。
表5 邊墩支座反力 kN
表5中,R為每一列的極差,反映該列因素水平波動時,試驗結(jié)果的變動幅度。R越大,說明該因素對試驗結(jié)果的影響越大。由表5中可知:R(支座間距)>R(曲線半徑)>R(橋梁縱坡),即支座間距對邊墩支座反力影響最大,曲線半徑次之,而橋梁縱坡對其的影響較小。
表6 中墩支座反力 kN
同樣由表6可知:R(曲線半徑)>R(橋梁縱坡)>R(支座間距),即曲線半徑對中墩支座反力影響最大,橋梁縱坡次之,而支座間距對其的影響較小。
通過進一步比較表5和表6可見,3個因素對表5中的邊墩支座反力影響更大,且通過之前的研究發(fā)現(xiàn),邊墩出現(xiàn)負(fù)支座反力(發(fā)生脫空)是傾覆的開始,而中墩支座基本不出現(xiàn)支座反力。因此,對橋梁的傾覆穩(wěn)定性而言,在3個因素中,支座間距對邊墩支座反力影響最大,曲線半徑次之,而橋梁縱坡對其影響較小。
1) 通常情況下,支座脫空的情況均發(fā)生于邊墩支座,而中墩支座很少出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象。
2) 在車輛超載情況下,支座負(fù)反力明顯增大,說明此時橋梁更易發(fā)生傾覆。
3) 曲線半徑越小,橋梁更易傾覆;支座間距越小,橋梁更易傾覆;橋梁縱坡越大,橋梁更易傾覆。
4) 對橋梁的傾覆穩(wěn)定性而言,支座間距對邊墩支座反力影響最大,曲線半徑次之,而橋梁縱坡對其的影響較小。
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