趙天野

(遼寧省交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心 沈陽(yáng)市 110005)

0 引言

城市立交橋匝道橋形式多采用彎橋，橋梁下部結(jié)構(gòu)經(jīng)常采用獨(dú)柱墩形式，既美觀，又可節(jié)約橋梁下部結(jié)構(gòu)占地空間，但由于獨(dú)柱墩采用單支座形式，橫向提供的支撐面積較小，橋梁在汽車偏載作用下，一側(cè)受壓支座可能失效，從而導(dǎo)致發(fā)生側(cè)翻事故，如近期發(fā)生的江蘇省無(wú)錫市國(guó)道橋梁側(cè)翻事故。因此在彎橋設(shè)計(jì)過(guò)程中，需進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，同時(shí)考慮如何增加抗傾覆能力。以一座連續(xù)梁獨(dú)柱墩彎橋?yàn)槔?，分析該橋在汽車偏載作用下的傾覆情況，同時(shí)分析設(shè)置預(yù)偏心對(duì)橋梁內(nèi)力的影響，通過(guò)計(jì)算分析對(duì)如何提高彎橋的橫向抗傾覆穩(wěn)定能力提出一個(gè)基本思路。

1 驗(yàn)算原則

橋梁發(fā)生側(cè)翻時(shí)的具體過(guò)程為，單項(xiàng)受壓支座脫離正常受壓狀態(tài)，上部結(jié)構(gòu)的支撐體系不再提供有效約束，上部結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形趨于發(fā)散、橫向失穩(wěn)垮塌，支座、下部結(jié)構(gòu)連帶損壞。整個(gè)側(cè)翻傾覆的過(guò)程存在兩個(gè)明確的特征狀態(tài)，特征狀態(tài)1指單向受壓支座開始出現(xiàn)脫離受壓狀態(tài)，特征狀態(tài)2指箱梁的抗扭支座全部失效；對(duì)于特征狀態(tài)2的情況下，采用“穩(wěn)定作用效應(yīng)/失效作用效應(yīng)≥穩(wěn)定性系數(shù)”進(jìn)行橫向傾覆驗(yàn)算，依據(jù)橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范，橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)取值2.5，具體表達(dá)式如下[1]：

穩(wěn)定作用效應(yīng) ΣSbk，i=ΣRGKili

(1)

失穩(wěn)作用效應(yīng) ΣSsk，i=ΣRQKili

(2)

式中：RGKi為結(jié)構(gòu)重力、預(yù)加力、混凝土收縮、徐變作用等永久荷載作用下失效支座的支反力；RQKi為汽車荷載、汽車沖擊力等可變荷載作用下，最不利布置形式下失效支座的支反力；li為失效支座與有效支座的中心距離。

依據(jù)上述公式，彎橋橫向傾覆驗(yàn)算通過(guò)表達(dá)式為：

ΣSbk，i/ΣSsk，i=ΣRGKili/ΣRQKili≥2.5

(3)

2 工程概況

上部結(jié)構(gòu)選用跨徑布置為4×25m的4跨一聯(lián)混凝土連續(xù)箱梁彎橋，基本走向?yàn)橛芍本€漸變至曲線，曲線半徑為120m，單箱2室，C50混凝土澆注。箱梁頂寬9m，箱梁底寬6.58m，兩側(cè)懸臂翼緣板寬0.826m，翼緣板根部厚度為0.33m，梁高1.48m。腹板采用斜腹板形式，箱梁頂板厚度采用25cm，底板厚度采用42cm，如圖1所示。

3 有限元模型建立

采用Midas Civil進(jìn)行全橋有限元建模，兩側(cè)橋臺(tái)及50m跨中墩柱設(shè)置雙支座，其余墩柱設(shè)置單支座，考慮混凝土收縮、徐變作用，彎橋有限元模型如圖2所示。

圖2 彎橋有限元模型

3.1 數(shù)據(jù)分析

彎橋側(cè)翻事故往往是在汽車偏載作用下發(fā)生的，本小節(jié)主要研究在汽車偏載作用下單向受壓支座的受力狀態(tài)，車道設(shè)置外側(cè)汽車偏載，為便于分析，將支座按照從左至右、內(nèi)側(cè)至外側(cè)的順序依次編號(hào)，通過(guò)Midas Civil軟件得出永久荷載作用下失效支座的支反力，同時(shí)在汽車偏載作用下分別得出內(nèi)側(cè)支座處于最不利狀態(tài)時(shí)，其他支座對(duì)應(yīng)的支反力，具體數(shù)值如表1所示。

表1 荷載組合作用下彎橋各支座支反力數(shù)值

通過(guò)表1可以看出，1號(hào)墩、3號(hào)墩、5號(hào)墩的內(nèi)側(cè)支座在永久荷載和汽車偏載聯(lián)合作用下均處于受壓狀態(tài)，特征狀態(tài)1驗(yàn)算通過(guò)，橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算值均大于規(guī)范要求值2.5，特征狀態(tài)2驗(yàn)算通過(guò)。因此該橋在汽車偏載作用下橫向傾覆驗(yàn)算通過(guò)，橋梁處于安全運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 設(shè)置預(yù)偏心數(shù)據(jù)分析

設(shè)置預(yù)偏心可使彎橋的受力和配筋更加合理[2]，即支座的中心沿著曲線半徑的方向往彎橋外側(cè)偏移一定的距離。本小節(jié)主要對(duì)比設(shè)置預(yù)偏心和未設(shè)置預(yù)偏心兩種情況下彎橋的橫向傾覆穩(wěn)定性情況，設(shè)置2號(hào)墩、4號(hào)墩支座預(yù)偏心為50cm，如圖3所示。

圖3 彎橋有限元模型(預(yù)偏心50cm)

通過(guò)Midas Civil軟件分析，彎橋在永久荷載和汽車偏載作用下各支座支反力數(shù)值如表2所示。

通過(guò)對(duì)比表1和表2，可以看出通過(guò)設(shè)置預(yù)偏心，可改變永久荷載作用下雙支座的支反力分布，未設(shè)置預(yù)偏心時(shí)支座兩側(cè)在永久荷載作用下支反力基本相等，而設(shè)置預(yù)偏心后，內(nèi)側(cè)支座支反力增大，分析原因是預(yù)偏心的設(shè)置，使彎橋的整體重心向曲線內(nèi)側(cè)偏移，從而導(dǎo)致內(nèi)側(cè)支座壓力增大，進(jìn)而設(shè)置預(yù)偏心可有效地平衡汽車偏載對(duì)彎橋橫向傾覆的不利作用。

表2 荷載組合作用下彎橋各支座支反力數(shù)值(預(yù)偏心50cm)

通過(guò)圖4可以看出，設(shè)置預(yù)偏心后，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)都有了較大幅度的提高，最大提高幅度由4.59提升至5.41，提升達(dá)到17.9%。

圖4 設(shè)置預(yù)偏心前后抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)對(duì)比

在永久荷載與汽車偏載聯(lián)合作用下，以1號(hào)墩為例，設(shè)置預(yù)偏心前后梁端扭矩?cái)?shù)值如表3所示。

表3 設(shè)置預(yù)偏心前后梁段扭矩?cái)?shù)值

通過(guò)Midas Civil軟件計(jì)算分析，設(shè)置預(yù)偏心后使梁端扭矩降低了32.2%，分析原因是對(duì)獨(dú)柱墩彎橋而言，橋梁兩端支座可提供較強(qiáng)的抗扭約束，中間墩則沒(méi)有提供抗扭約束，而預(yù)偏心的設(shè)置則充分利用了支點(diǎn)反力產(chǎn)生的反扭矩，平衡了一部分由汽車偏載作用產(chǎn)生的扭矩，進(jìn)而有效地降低了梁端的內(nèi)扭矩，有利于增加彎橋的抗傾覆穩(wěn)定性，因此設(shè)置預(yù)偏心可使梁內(nèi)扭矩重新分布，可以作為提高彎橋抗傾覆能力的一種方法。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)模擬彎橋在偏載作用下的使用狀態(tài)，計(jì)算得出未設(shè)置預(yù)偏心工況下抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)分別為5.38、4.59、5.39，均大于規(guī)范要求的2.5，橫向抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算通過(guò)。

(2)在設(shè)置預(yù)偏心工況下，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)有了大幅度的提高，最大提高幅度由4.59提升至5.41，提升達(dá)到17.9%，同時(shí)也有效地降低了梁端扭矩，以1號(hào)墩為例，梁端扭矩由3807kN·m降至2580kN·m，設(shè)置預(yù)偏心可提升橋梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性。

(3)城市交通繁雜，通行車輛多樣，彎橋作為城市匝道橋中的常用橋型，進(jìn)行橫向抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算十分必要。橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中往往考慮各作用效應(yīng)組合在正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)下的計(jì)算分析，本文也僅提出了彎橋在標(biāo)準(zhǔn)荷載偏載作用下的傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算過(guò)程，對(duì)特殊車輛偏載、超載或者其他可能的車輛組合作用下的情況并未進(jìn)行建模分析，以后需進(jìn)一步研究。

(4)獨(dú)柱墩雖有節(jié)約占地空間的優(yōu)勢(shì)，但不可預(yù)見(jiàn)的超載也帶來(lái)了安全隱患，為避免側(cè)翻事故的再次發(fā)生，在橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中建議對(duì)寬度較大的彎橋應(yīng)考慮橫向設(shè)置多個(gè)支座支撐、增設(shè)蓋梁以及選擇合適的支座種類等措施，以增加橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性，同時(shí)各地路政管理部門應(yīng)充分發(fā)揮工作職能，加強(qiáng)行業(yè)監(jiān)管力度，并增設(shè)標(biāo)志、標(biāo)牌等交通警示附屬設(shè)施，避免超限超載等特殊車輛駛?cè)朐训罉?，從而降低安全隱患。