(永州市交通建設(shè)投資有限公司，湖南 永州 425000)

隨著我國城市基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，城市立交橋和高架橋的結(jié)構(gòu)形式越來越多樣化[1]。為提升立該結(jié)構(gòu)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(yīng)用[2,3]。因獨柱墩橋梁的支撐方式為單點支撐，當(dāng)遇到嚴(yán)重超載情況時，橋梁會出現(xiàn)傾覆破壞[4,5]。近年來，國內(nèi)發(fā)生多起由于嚴(yán)重超載導(dǎo)致獨柱墩橋傾覆倒塌事故，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[6]。目前，我國橋梁設(shè)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(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性研究，分析結(jié)果可為獨柱墩連續(xù)梁橋的抗傾覆設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 工程概況

依托某高架橋左幅第3聯(lián)為背景，其上部結(jié)構(gòu)為5×23.08 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用獨柱墩、承臺接灌注樁基礎(chǔ)。該橋為單箱4室箱梁，采用滿堂支架現(xiàn)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(shè)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(gòu)造特點及計算精度要求，運(yùn)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(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋進(jìn)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?shù)倪B接方式分別采用剛性連接、固結(jié)模擬，整個模型中共265個節(jié)點，230個單元，模型坐標(biāo)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(jié)構(gòu)自重、汽車荷載、基礎(chǔ)變位、整體溫度、預(yù)應(yīng)力以及溫度梯度的作用。其中二期荷載取40 kN/m，基礎(chǔ)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(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)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(shù)，其函數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 混凝土的收縮應(yīng)變及徐變系數(shù)

目前，國內(nèi)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(xiàn)象較為嚴(yán)重，其抗傾覆穩(wěn)定性驗算僅采用公路—Ⅰ級荷載可能會導(dǎo)致結(jié)果存在偏差。基于此，本文綜合考慮了《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》JTG D62—2012、《橋梁上部結(jié)構(gòu)抗傾覆驗算荷載的規(guī)定》和《公路橋涵設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(yán)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(yīng)，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(cè)車道，具體車載布置情況如圖5所示。橋梁重要性系數(shù)和車輛活載沖擊系數(shù)分別取1.0、1.26，依據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》JTG D60—2015中相關(guān)規(guī)定，將各作用效應(yīng)組合成4種不同工況，并對其進(jìn)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(dāng)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(cè)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(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性數(shù)值分析，得出最大傾覆效應(yīng)時各支座的反力，并依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》JTG D62—2012中相關(guān)規(guī)定，采用下述公式計算出橋梁的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。

(1)

式中：kqf表示抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；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(shù)；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(shù)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(shù)變化曲線如圖8所示。

表3 計算參數(shù)沖擊系數(shù)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(shù)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(xiàn)象，表明符合《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》JTG D62—2012和《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》JTG D60—2015相關(guān)規(guī)定。由不同荷載形式下各工況支座反力數(shù)據(jù)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(chǎn)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?qū)χё戳Ξa(chǎn)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(shù)均一致。

由圖7可知，當(dāng)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(jù)整個橋梁的支座反力變化曲線可知，車載作用的一側(cè)較于另一側(cè)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(fēng)險，因此在設(shè)計獨柱支承的連續(xù)梁橋時應(yīng)著重注意。根據(jù)圖8可知，橋梁的抗傾覆系數(shù)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(chǎn)生的荷載如表4所示。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，該獨柱墩連續(xù)箱梁橋在公路—Ⅰ級(即標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計荷載)作用下產(chǎn)生的荷載為1463.6 kN；在1.3倍公路—Ⅰ級車輛荷載作用下產(chǎn)生荷載達(dá)1902.6 kN，同時說明該橋超載30%。而在橋梁實際運(yùn)營中經(jīng)常出現(xiàn)55 t重車荷載情況，其產(chǎn)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(jìn)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(jié)構(gòu)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(yīng)結(jié)合橋梁的交通實況，適當(dāng)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(yùn)營中梁式橋具有更加良好的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

表4 不同荷載形式下橋梁產(chǎn)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(jié)論

1) 相同車輛荷載形式下不同工況的橫向抗傾覆系數(shù)均一致；整體升降溫不會對支座反力產(chǎn)生明顯影響，而溫度梯度能夠?qū)χё戳Ξa(chǎn)生一定影響；橋梁的抗傾覆系數(shù)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(yīng)綜合考慮橋梁的交通實況，適當(dāng)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(yùn)營中梁式橋具有更加良好的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

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