曲率半徑對獨柱墩連續箱梁橋穩定性的影響分析

楊慶嶸，張 玥

(內蒙古科技大學，內蒙古 包頭 014010)

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曲率半徑對獨柱墩連續箱梁橋穩定性的影響分析

楊慶嶸，張 玥

(內蒙古科技大學，內蒙古 包頭 014010)

文章以公路橋梁通用圖(20+32+20)m連續箱梁為工程背景，通過Midas軟件計算出獨柱墩連續箱梁橋支反力與抗傾覆穩定系數，并根據支座反力及抗傾覆穩定系數分析曲率半徑對彎梁橋穩定性的影響，得到了橋梁抗傾覆穩定性隨曲率半徑的變化規律，為此類獨柱墩橋梁設計提供技術參考。

獨柱墩；曲率半徑；抗傾覆穩定；Midas

0 引言

在城市高架橋、立交橋以及高速公路的匝道橋建設中，獨柱式橋墩連續梁橋由于具有結構輕巧、橋下通透性好、視野開闊、易適應地形、下部工程量小等優點在橋梁工程中被廣泛采用。但是由于獨柱墩在橫橋向采用單支點支撐，在汽車偏載作用下，對結構的橫向抗傾覆穩定非常不利[1]。所以驗證該型橋梁支反力及橫向抗傾覆穩定性對保證設計合理性及工程質量具有重大意義。

1 計算模型

本文以公路橋梁通用圖(20+32+20)m連續箱梁為工程背景，借助Midas/Civil有限元分析軟件，分析計算了不同曲率半徑連續箱梁在不同荷載工況下的橋梁支反力及橫向抗傾覆穩定系數，探討其橫向抗傾覆穩定性能的變化規律，并對實際工程提出合理的影響參數建議[2]。

設計橋寬為12 m，荷載等級為公路-Ⅱ級，設計行車道數為3個，橋墩為獨柱墩，其上支座為單支座，橋臺為雙支座，支座間距為6.5 m，計算程序運用Midas/Civil 2015建立橋梁梁格模型。橋梁支座布置形式及跨中截面如圖1～2所示。

圖1 橋梁支座布置形式圖

圖2 跨中截面圖

2 計算規范及荷載

現行的公路橋梁規范對抗傾覆穩定性的計算有禁止支座脫空的規定，同時要求采用整體式斷面的中小跨徑梁橋應進行上部結構抗傾覆驗算。規定彎橋上部結構的抗傾覆穩定系數γaf應滿足式(1)要求[3]：

(1)

式中：γaf——抗傾覆穩定系數；

Sak——汽車載荷(含沖擊作用)標準值產生的傾覆力矩；

Ssk——成橋狀態下結構恒載產生的抗傾覆力矩。

為了有足夠的安全儲備，在相關規范中規定最小抗傾覆穩定系數為2.5，在實際過程中穩定力矩等于抗傾覆穩定力矩(抗傾覆穩定系數為1)時為橋梁傾覆的臨界狀態。

本文以式(1)為計算原則對該橋梁進行抗傾覆穩定性分析，計算荷載包括恒載、活載、基礎不均勻沉降。其中汽車荷載以最外側車道進行布載，并在以下三種汽車荷載工況的基礎上進行荷載組合。工況一：現行《公路橋涵設計通用規范JTGD60-2004》中公路-Ⅰ級汽車荷載；工況二：1.3倍公路-Ⅰ級汽車荷載；工況三：《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》規定3輛55t重車組成的密集排列車隊(前后車輛間距1m)[4]。

3 計算結果

3.1 不同曲率半徑下支座反力的變化情況

本文運用Midas/Civil軟件計算橋梁分別在曲率半徑為50m、100m、150m、157.5m、165m、200m、300m、500m、800m下的支座反力，比較其在三種工況下的最小支座反力。通過計算得知在工況三作用下其支座反力最小，故列出其計算結果。具體如表1所示：

表1 工況三下的最小支座反力表(kN)

從表1中可以看出：橋臺內側支座與其它支座相比更易出現負反力，這是由于受平面曲率的影響。對曲線梁而言，梁體外側邊的弧長大于內側邊弧長，因而梁體的重心與截面的形心軸不重合，而是向形心軸的外側偏移一定的距離，使外梁超載，內梁卸載[5]。

在相同曲率半徑下，5號支座反力要小于2號支座反力，表明最先出現負反力導致支座產生脫空現象的為汽車進入曲線橋時另一側橋臺內側5號支座。同時，隨著曲率半徑的逐漸增大，橋臺內側支座支座反力也逐漸增大，但橋臺外側支座支座反力逐漸減小。表明增大曲率半徑可以使支座反力分布均勻，有降低支座脫空的可能性。橋臺內側5號支座在三種工況下的最小支座反力變化曲線如圖3所示：

圖3 5號支座最小支座反力變化曲線圖

從圖3中可以看出：當曲率半徑<300m時，半徑對支座反力的影響很明顯；而半徑>300m時，半徑對支座負反力的影響在減小。同時在工況三作用下的橋臺內側支座與其它工況下相比更易脫空。3.2 不同曲率半徑下抗傾覆穩定系數的變化情況根據規范規定進行橋梁上部結構抗傾覆驗算，在三種工況下的計算結果列于表2所示：

表2 橋梁抗傾覆穩定系數表

從表2中可以看出：在相同曲率半徑中，工況三的穩定系數要小于其他工況。表明在這種情況下更易發生橋梁傾覆。在曲率半徑為157.5m時，其抗傾覆穩定系數為0.93，說明此時橋梁已傾覆，而在其它曲率半徑下雖然支座出現負反力，但橋梁并未發生傾覆。同時，在相同工況下曲率半徑在157.5m處抗傾覆穩定系數達到最小，其變化曲線如圖4所示：

圖4 抗傾覆穩定系數變化曲線圖

從圖4中可以看出：隨著曲率半徑的逐漸增大，抗傾覆穩定系數先減小后增大，當曲率半徑為157.5m時其值達到最小值。產生這種現象的原因如下：

(1)當曲率半徑<157.5m時，傾覆軸線為1、3支座連線，此時支座到傾覆軸線的距離隨半徑的增大而減小，使得支座反力提供的抗傾覆力矩減小，而傾覆軸線與橫向加載車道圍城的面積卻逐漸增大，從而傾覆力矩增大，所以導致穩定系數隨半徑的增大逐漸減小；

(2)當曲率半徑=157.5m時，傾覆軸線為支座1、3、4、6所在直線(此時橋臺外側支座連線與橋墩支座連線共線)，抗傾覆力矩達到最小，傾覆力矩達到最大，因而此時抗傾覆穩定系數最小；

(3)當曲率半徑>175.5m時，情況與之前相反，此時抗傾覆穩定系數隨曲率半徑增大而增大。

4 結語

本文通過對橋梁在不同曲率半徑下最小支座反力的分析及抗傾覆穩定系數的計算得到如下結論：

(1)最先出現負反力導致支座脫空現象的支座為汽車進入曲線橋時另一側橋臺內側支座，同時支座脫空不能表明橋梁會發生傾覆，但橋梁傾覆開始于支座的逐次脫空。

(2)本橋在橋臺外側支座與橋墩支座共線時抗傾覆穩定系數達到最小，此時橋梁最易發生傾覆。當曲率半徑<157.5m時，抗傾覆穩定系數隨曲率半徑的增大而減小；在曲率半徑>157.5m時，抗傾覆穩定系數隨曲率半徑的增大而增大。在曲率半徑<300m時支座反力的大小對曲率半徑的變化很敏感。

(3)增大曲率半徑可以使支座反力分布均勻，降低支座脫空的可能性。

(4)該橋僅在3輛55t重車組成的車隊(前后車輛相距1m)作用時支座出現負反力，因此密集排列車隊對橋梁穩定性很不利。所以在橋梁實際使用過程中應進行限載和禁止重車在外側行駛，以保證橋梁安全。

[1]黃國勇，蘭長青.墩梁固結獨柱墩橋梁抗傾覆分析及加固設計方法[J].公路交通科技(應用技術版)，2011(12)： 42-45.

[2]祁志偉.城市連續箱梁橋橫向抗傾覆穩定性分析[D].長沙：中南大學，2013.

[3]彭衛兵，徐文濤，陳光軍，等.獨柱墩梁橋抗傾覆承載力計算方法[J].中國公路學報，2015(3)：26-29.

[4]張 健，肖文杰.獨柱墩橋梁抗傾覆穩定性分析[J].公路工程，2013(8)：170-173.

[5]陳鐵冰.混凝土曲線梁橋裂縫成因分析及相應對策[J].建筑管理現代化，2006(3)：43-47.

Analysis on the Impact of Curvature Radius on the Stability of Single-Pile Pier Continuous Girder Bridge

YANG Qing-rong，ZHANG Yue

(Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou，Inner Mongolia，014010)

With Highway Bridge General Atlas(20+32+20)m continuous box girder as engineering background，this article calculated by Midas software the reaction forces and anti-overturning stability factor of single-pile pier continuous box girder bridge，analyzed the impact of curvature radius on the stability of curved girder bridge according to support reaction forces and anti-overturning stability factors，then obtained the variation rules of bridge anti-overturning stability with the curvature，radius，thereby providing the technical reference for the design of such single-pile pier bridges.

Single-pile pier；Curvature radius；Anti-overturning stability；Midas

U448.21+

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.10.012

1673-4874(2016)10-0043-03

2016-09-05

楊慶嶸(1990—)，研究方向:橋梁工程；

張 玥(1967—)，副教授，研究方向：橋梁工程。