鞏美杰

南京市城市與交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司

1 引言

曲線連續(xù)箱梁在城市快速路中，尤其是互通式立交匝道橋中被廣泛應(yīng)用，其下部結(jié)構(gòu)多采用花瓶式獨(dú)柱墩。自2007年以來，國內(nèi)相繼發(fā)生了多起匝道橋整體傾覆事故，造成了巨大的生命及財(cái)產(chǎn)損失，引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。國內(nèi)學(xué)者針對(duì)獨(dú)柱墩橋梁及類似結(jié)構(gòu)的側(cè)傾問題做了一些研究，研究方法和計(jì)算假定得到了逐步發(fā)展。初期以“剛體假定”為基礎(chǔ)，認(rèn)為橋梁傾覆破壞時(shí)，上部結(jié)構(gòu)繞某一“傾覆軸”做剛體轉(zhuǎn)動(dòng)。這種方法忽略了箱梁本身作為彈性體的特征，在某種條件下會(huì)高估橋梁的抗傾覆能力。文獻(xiàn)[2]通過對(duì)事故橋梁進(jìn)行分析，建立了考慮幾何及接觸非線性的有限元模型，對(duì)橋梁傾覆破壞的機(jī)理進(jìn)行了研究，JTG 3362—2018《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》對(duì)前述研究做了總結(jié)和深化。提出了以“安全系數(shù)”表達(dá)的抗傾覆驗(yàn)算方法。以恒載產(chǎn)生的“穩(wěn)定效應(yīng)”與活載產(chǎn)生的“失穩(wěn)效應(yīng)”的比值來衡量箱梁的抗傾覆能力。當(dāng)為直線橋時(shí)，其原理與“剛體假定”理論相同，即“傾覆軸”為偏載側(cè)支點(diǎn)的連線；當(dāng)為曲線橋時(shí)，其“傾覆軸”可以理解為偏載側(cè)支點(diǎn)所構(gòu)成的曲線。在連續(xù)梁設(shè)計(jì)時(shí)很少考慮下部結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，支座常以剛性支點(diǎn)模擬。這種做法在直線橋設(shè)計(jì)時(shí)是可行的，當(dāng)橋梁為曲線橋時(shí)，由于彎扭耦合現(xiàn)象梁體內(nèi)將產(chǎn)生巨大的扭矩，在橫向支座間距較小時(shí)，將使曲線內(nèi)、外側(cè)支座產(chǎn)生反力差。這時(shí)若忽略橋梁上、下部的協(xié)調(diào)變形，計(jì)算結(jié)果將產(chǎn)生偏差，極端情況下可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的不安全。本文以某互通匝道橋?yàn)橐劳校瑧?yīng)用規(guī)范提供的抗傾覆驗(yàn)算方法，討論下部結(jié)構(gòu)對(duì)橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的影響。

2 算例分析

某3m×26.5m 預(yù)應(yīng)力匝道橋，寬10.1m，采用單箱雙室箱梁，花瓶墩高12m，支座間距2.8m，橋梁位于110m 圓曲線上。本文對(duì)是否考慮橋墩的影響分別計(jì)算并進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算采用midas civil程序，主梁單元采用7自由度空間梁單元，預(yù)應(yīng)力線形和位置按實(shí)際輸入，支座與主梁單元間設(shè)置剛臂。下圖為是否考慮下部結(jié)構(gòu)時(shí)各工況支反力計(jì)算結(jié)果。

分析發(fā)現(xiàn)：（1）下部結(jié)構(gòu)對(duì)成橋支反力有一定影響，其影響程度與橋墩的剛度有關(guān)，剛度越小影響越大。與未考慮下部結(jié)構(gòu)相比，邊支點(diǎn)曲線外側(cè)支反力增大，內(nèi)側(cè)減?。恢卸涨€外側(cè)支反力減小，內(nèi)側(cè)增大。（2）當(dāng)邊支座作為失效支點(diǎn)時(shí)，活載支反力差別較大。以1-2支點(diǎn)為例，當(dāng)不考慮橋墩剛度時(shí)，活載在失效墩處產(chǎn)生的支反力較大，遠(yuǎn)端支點(diǎn)支反力迅速衰減。當(dāng)考慮橋墩剛度時(shí)，遠(yuǎn)端支點(diǎn)仍能產(chǎn)生不平衡反力。（3）當(dāng)中墩支座作為失效支點(diǎn)時(shí)，活載產(chǎn)生的支反力差別不大。（4）兩種模型在以邊支點(diǎn)為失效支點(diǎn)計(jì)算箱梁傾覆系數(shù)時(shí)產(chǎn)生較大差別，如表1所示。

表1 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)比較

恒載支反力

1-2支座失效時(shí)活載支反力

2-2支座失效時(shí)活載支反力

3-2支座失效時(shí)活載支反力

4-2支座失效時(shí)活載支反力

支座編號(hào)示意圖

通過對(duì)活載進(jìn)行追蹤，發(fā)現(xiàn)當(dāng)以邊墩支點(diǎn)作為失效支點(diǎn)時(shí)，兩種模型的反力影響線存在差異，原因在于當(dāng)不考慮橋墩影響時(shí)，支座為剛性支點(diǎn)，限制了梁體的扭轉(zhuǎn)變形，活載的最不利布置范圍產(chǎn)生了較大的偏差。當(dāng)計(jì)入橋墩剛度影響時(shí)，橋梁上、下部結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形，最不利狀態(tài)也更符合實(shí)際情況。以此推斷，當(dāng)連續(xù)梁分跨越多時(shí)，若不考慮下部結(jié)構(gòu)影響，最不利活載布載是失真的，其抗傾覆安全性可能被高估。

3 結(jié)論與問題

本文通過計(jì)算，對(duì)比分析了曲線梁橋在是否考慮下部結(jié)構(gòu)影響時(shí)，成橋反力及活載反力的差別，并按規(guī)范提供的方法得到了箱梁抗傾覆安全系數(shù)。

（1）證明曲線橋梁在進(jìn)行抗傾覆安全性驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)按實(shí)際情況考慮橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響，使上、下部結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)。否則在特殊情況下可能高估箱梁的抗傾覆能力。

（2）因篇幅限制本文僅對(duì)三跨連續(xù)梁進(jìn)行了分析，當(dāng)連續(xù)梁跨數(shù)增加后下部結(jié)構(gòu)對(duì)抗傾覆驗(yàn)算的影響將會(huì)增大為作者推測，待后續(xù)研究論證。

（3）連續(xù)梁傾覆驗(yàn)算實(shí)質(zhì)是尋找“失穩(wěn)效應(yīng)”極值的過程，規(guī)范將其進(jìn)行了簡化，即認(rèn)為“失穩(wěn)效應(yīng)”的極值為同側(cè)各支點(diǎn)達(dá)到最小反力時(shí)的包絡(luò)值。這種簡化在跨數(shù)較少時(shí)是安全的，但當(dāng)分跨較多時(shí)是否存在“漏載”問題，有待后續(xù)研究。