獨柱墩連續梁橋橫向傾覆穩定性研究

段倫良，唐光武，拉菲

（1.橋梁工程結構動力學國家重點實驗室，重慶 400067；2.重慶交通大學，重慶 400074）

1 引言

據統計，自2000 年以來發生的橋梁倒塌事故中，因設計不合理而造成事故的橋梁占比高達41%，其中，近6 年就發生過4 次獨柱墩橋梁傾覆失穩破壞。

國內外針對獨柱墩傾覆問題做了大量研究[1-3]，也取得了一些進展。 現有研究通常將獨柱墩橋梁的失穩方式定義為繞傾覆軸旋轉破壞， 并未考慮主梁失穩過程中支座與主梁之間相互作用的影響。 其中，周子杰等[4]通過分析支座布置形式對傾覆軸的影響， 提出了不同支座布置形式下傾覆軸的選擇方法。萬世成和黃喬[5]對偏載下的獨柱墩橋梁傾覆穩定性分析方法進行了綜述， 并指出了當前計算理論存在的問題和未來需要突破的方向。 最近，彭衛兵等[6]通過調研多起橋梁傾覆失穩事故后提出了橋梁傾覆分為變形體轉動、 剛體轉動和滑動3 部分，并建立了分別考慮變形體轉動、剛體轉動和自重的計算方法， 其研究成果加深了對橋梁傾覆機理與失穩模式的認識。 本文以某獨柱墩連續梁橋為背景，依據《公路危舊橋梁排查和改造技術要求》（交辦公路函[2021]321 號）[7]，基于有限元軟件MIDAS CIVIL 建立了獨柱墩連續梁數值模型，研究了最不利工況下的橫向傾覆特性。

2 工程概況

本文所研究的橋梁為鋼筋混凝土連續箱梁，設計荷載為公路I 級，全長為217.0 m，跨徑組合為15.92 m+9×20 m+15.92 m，斷面為單箱單室，頂板寬度為8.5 m，底板寬度為4.0m，中支點梁高度為1.3 m，頂板厚度為20 m，底板厚度為20～40 cm，腹板厚度為30～50 cm，箱梁內外側均采用弧形斜腹板。橋梁下部橋墩為承臺接獨柱墩。全橋橋面為水泥混凝土鋪裝，采用GPZ盆式橡膠支座。 為保證結構安全，該橋前期進行了加固，在1#、2#、3#、4#、5#、7#、8#、9#、10#獨柱墩的單支撐橫向兩側設置了豎向支撐點，并保留了原橋支座。 該橋平面布置如圖1 所示。 本橋主梁采用C50 混凝土，橋面鋪裝用C40 混凝土，護欄選用C30混凝土，其中，橋面鋪裝所使用混凝土量為127.2 m3，護欄所使用混凝土量為142.191 m3。

圖1 平面布置圖

主梁跨中截面和跨中截面幾何特征分別如圖2 和圖3 所示。

圖2 主梁橫斷面示意圖（單位：cm）

圖3 主梁支點斷面示意圖（單位：cm）

3 橋梁傾覆穩定性分析

基于有限元軟件MIDAS CIVIL 對橋梁上部結構進行數值模擬，全橋模型共劃分單元102 個，橋梁有限元模型如圖4所示。 在模型中按照實際的施工順序澆筑混凝土與加載二期荷載、收縮徐變、支座加固改造3 個步驟進行。 在施工過程中，結構的邊界條件等均通過相應組的激活與鈍化實現。 主橋0#、6#、11#墩為雙支座外，其余墩為獨柱墩。

圖4 橋梁有限元模型

經過試算，按照最不利工況偏載2 車道進行布載。 該橋傾覆穩定性驗算結果見表1。 基于計算結果可發現，該橋在基本組合下支座未出現負反力， 最小抗傾覆系數大于2.5， 滿足JTG 3362—2018 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[9]要求。

表1 抗傾覆驗算結果

4 結語

本文基于有限元軟件MIDAS CIVIL 建立了某加固后的獨柱墩連續梁模型， 并研究了最不利工況下該橋的橫向傾覆特性。 通過對該橋進行抗傾覆性能分析發現，對于特征狀態一，在荷載基本組合下，所有支座均保持受壓狀態；對于特征狀態二， 各支座在最不利情況下的最小穩定性系數均大于2.5，滿足規范要求；支座反力最小值和各支座最小穩定性系數基本不會在同種工況下出現， 在分析兩個特征狀態時需注意。