小半徑連續(xù)箱梁的抗傾覆穩(wěn)定性分析計算

張 義，唐發(fā)明

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

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小半徑連續(xù)箱梁的抗傾覆穩(wěn)定性分析計算

張 義，唐發(fā)明

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

互通立交匝道橋的曲線連續(xù)箱梁在實際中越來越多的得到應(yīng)用，而梁體傾覆事故的不斷發(fā)生，在實際工程中應(yīng)該對梁體傾覆事故引起高度重視。本文采用midas civil軟件建模進行有限元分析，對小半徑連續(xù)箱梁匝道橋分析計算梁體的抗傾覆穩(wěn)定性，為今后同類工程提供參考。

小半徑連續(xù)箱梁;車輛超載；支座脫空；抗傾覆穩(wěn)定性

0 前 言

隨著城市的發(fā)展和高速路交通網(wǎng)絡(luò)的完善，設(shè)計并建設(shè)了越來越多的互通式立交橋，而這些立交匝道橋由于地形和環(huán)境等因素的限制大都位于小半徑曲線上。在這種情況下，不論梁體下的支座如何布置，在活載偏載的作用下都會使得曲線內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)卸載的情形，嚴重的情況支座會產(chǎn)生負反力，如果在未設(shè)置拉壓支座的情況下，會造成非常嚴重的后果。針對近幾年頻繁發(fā)生由于超載車輛導(dǎo)致支座脫空使得梁體在毫無明顯征兆下傾覆的事故，本文結(jié)合車輛超載的實際情況，以一個小半徑連續(xù)箱梁匝道橋來分析計算梁體的抗傾覆穩(wěn)定性。

1 工程概況

該橋為一個高速路上互通匝道橋，本橋的平面位于半徑為90 m的圓曲線上，孔跨布置為4×25 m，結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁(單箱單室)，支座采用雙支座，橫向支座中心線距離箱梁中心線15 cm，支座橫向間距3.8 m。

1.1 結(jié)構(gòu)尺寸

橋?qū)?0 m，梁高1.6 m，懸臂長2.25 m，梁體斷面見圖1、2。

圖1 箱梁跨中標準斷面 圖2 箱梁端頭斷面

1.2 主要材料

梁體用C50混凝土，鋼絞線為低松弛高強度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，單根鋼絞線直徑d=15.2 mm，鋼絞線面積A=139 mm2，強度標準值fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105。

2 計算模型的建立

該梁體模型采用midas civil 2013軟件進行計算分析，運用空間桿系理論對結(jié)構(gòu)進行模擬。該模型將梁體離散成201個節(jié)點和170個單元(見圖3)。

梁體受到的荷載：

(1)恒載：恒載包括結(jié)構(gòu)本身的自重、二期鋪裝、防撞墻的自重。

(2)活載：由于發(fā)生傾覆事故幾乎都由于汽車超載引起，故本文活載考慮三種工況:①1.0倍公路-I級荷載;②1.3倍公路-I級荷載;③集裝箱車隊自定義車道(1.2倍55 t 集卡車隊)荷載(見圖4、5)。

(3)溫度力：均勻溫度升溫20 ℃，降溫25 ℃； 正溫度梯度：14 ℃→5.5 ℃→0 ℃;負溫度梯度：(-7)℃→(-2.75)℃→0℃。

(4)沉降：每個支座考慮5 mm的沉降。

(5)預(yù)應(yīng)力：一個腹板6根鋼束，布置3層，型號都為13ΦS15.2。

圖3 計算模型

圖4 公路-I級荷載(1.3倍公路-I級活載即是qk，Pk的數(shù)值都乘以1.3)

圖5 集裝箱車隊自定義車道(1.2倍55 t 集卡車隊)荷載

3 支座豎向反力計算結(jié)果

(1)僅恒載作用下的豎向支撐反力見圖6。

圖6 恒載作用下豎向支撐反力(單位：kN)

(2)1.0倍和1.3倍公路-I級活載作用下的標準組合最小豎向支撐反力見圖7、8。

圖7 1.0倍公路-I級活載作用下的標準組合最小豎向支撐反力(單位：kN)

圖8 1.3倍公路-I級活載作用下的標準組合最小豎向支撐反力(單位：kN)

由圖可以看出：該橋在以上兩種活載工況下支座未出現(xiàn)負反力，即支座未脫空。

4 梁體在汽車超載作用下的抗傾覆驗算

由于現(xiàn)行的橋梁規(guī)范沒有具體條文對梁體的抗傾覆計算作出明確的規(guī)定，本文梁體的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計算依據(jù)采用2012年發(fā)布的《公路鋼筋混凝土及應(yīng)用力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范-征求意見稿》，而梁體的傾覆事故大都是汽車超載引起，故本文只驗算梁體在活載工況②和③作用下的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。

根據(jù)《征求意見稿》的規(guī)定：對于彎橋，當跨中橋墩全部支座位于橋臺外側(cè)支座連線內(nèi)側(cè)時，傾覆軸線為橋臺外側(cè)支座連線；當跨中橋墩全部支座位于橋臺外側(cè)支座連線外側(cè)時，傾覆軸線取為一橋臺外側(cè)支座和跨中橋墩支座連線(見圖9)。

圖9 傾覆軸線的位置

將工況③的重車(66 t)10 m間距荷載轉(zhuǎn)換為車道荷載均布荷載28.9 kN/m和集中荷載0 kN進行箱梁橋抗傾覆驗算，根據(jù)公式：

在活載工況②和③作用下的梁體抗傾覆系數(shù)計算結(jié)果見表1～6。

通過以上的計算可以看出，無論哪種工況抗傾覆系數(shù)都大于2.5。

表1 按傾覆軸線1作用下梁體抗傾覆系數(shù)計算表格

表2 按傾覆軸線1在活載工況②作用下的

梁體抗傾覆系數(shù)計算表格

μqk/kN·m-1Pk/kNΩ/m2e/m(1+μ)(qkΩ+Pke)γqf0．332113．6540344．221．91824148．9

表3 按傾覆軸線1在活載工況③作用下的

梁體抗傾覆系數(shù)計算表格

μqk/kN·m-1Pk/kNΩ/m2e/m(1+μ)(qkΩ+Pke)γqf0．332128．9044．221．91702．4159．5

表4 按傾覆軸線2作用下梁體抗傾覆系數(shù)計算表格

表5 按傾覆軸線2在活載工況②作用下的

梁體抗傾覆系數(shù)計算表格

μqk/kN·m-1Pk/kNΩ/m2e/m(1+μ)(qkΩ+Pke)γqf0．332113．6540348．851．941929．771．8

表6 按傾覆軸線2在活載工況③作用下的

梁體抗傾覆系數(shù)計算表格

μqk/kN·m-1Pk/kNΩ/m2e/m(1+μ)(qkΩ+Pke)γqf0．332128．9048．851．941880．673．7

5 對直線橋是否存在梁體傾覆危險的思考

理論上直線橋在橫向支座受到的恒載應(yīng)該一致，不會存在彎橋曲線外側(cè)重，內(nèi)側(cè)輕的情況。但直線橋汽車荷載是按直線行駛，會使傾覆軸線和橫向最不利的車道位置所圍成的面積較彎橋更不利，這樣有可能會使得在同樣的情況下直線橋更容易發(fā)生傾覆。所以我們在設(shè)計的時候不能忽略驗算直線橋的抗傾覆系數(shù)。

6 結(jié)論和建議

傾覆的過程是梁體支座先發(fā)生脫空，然后致使梁體在毫無征兆的情況下發(fā)生側(cè)向翻轉(zhuǎn)。在我們設(shè)計中無論直橋和彎橋都要注意驗算支座是否會脫空以及梁體的抗傾覆系數(shù)是否符合規(guī)范的要求，因為現(xiàn)實中汽車超載非常普遍，設(shè)計和驗算又不太好考慮汽車超載，故建議在設(shè)計此類結(jié)構(gòu)時，盡可能采用雙支座或多支座，甚至拉力支座，盡量不要采用獨立支座，以最大限度地減小橋梁側(cè)翻的可能性。

在設(shè)計中為避免發(fā)生傾覆的事故，橋墩處支座在滿足擺放尺寸要求和橫梁受力要求的情況下，支座的位置應(yīng)該盡可能的拉開，盡量避免使用獨支座。在橋臺處最好采用多支座布置在梁體下面。另外在小半徑彎橋的情況下，為使橫向支座恒載反力差別不是太大，在布置橫向支座位置時，可以使支座中心線適當向曲線外側(cè)偏移，即在梁體橫向設(shè)置支座偏心。

2016-02-17

張義(1975-)，男，黑龍江哈爾濱人，高級工程師，從事交通設(shè)計工作。

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