基于正交試驗法的曲線連續梁橋抗傾覆穩定性研究*

鄭小穎 王開太 王海軍 王曉菲 李志勇 喬建迪

(1.寧波交投公路營運管理有限公司 寧波 315000； 2.寧波市交通規劃設計研究院有限公司 寧波 315000)

隨著我國高速公路車輛大型化、重載化，橋梁的傾覆問題也越來越引起國內外學者的廣泛關注[1]。在公開報道中，近年來國內外發生了多起箱梁橋的傾覆事故[2-4]。

本文以高速公路上某匝道橋為例，通過數值模擬的方法，建立有限元計算模型，并結合正交試驗的方法，分析曲線半徑、支座間距及橋梁縱坡對曲線梁橋抗傾覆能力的影響。

1 有限元計算分析

1.1 工程概況與有限元計算模型

某互通匝道橋第6聯為3×20 m普通鋼筋混凝土連續箱梁，箱梁采用單箱雙室截面，頂板寬10.5 m，聯段主梁平面位于R=100 m的圓曲線段上。設計荷載為公路-I級。

為準確計算箱梁支撐反力，進行上部結構建模，利用midas Civil分析軟件實現對橋梁上部結構的模擬，全橋模型共劃分節點77個，單元68個，結構模型見圖1。

圖1 結構模型

1.2 計算工況

《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(征求意見稿)中明確規定，除橋梁抗傾覆系數不應小于2.5之外，在作用標準值組合(汽車荷載考慮沖擊作用)下不應出現支座脫空的情況發生。鑒于此，本文在后續研究中，主要考察以下2種活載工況。

工況一。現行《公路橋涵設計通用規范》[5]中公路-Ⅰ級，本工況為標準設計荷載。

工況二。1.3倍公路-I級荷載，本工況為模擬一般超載情況。

1.3 計算結果

基于工程實例的標準有限元模型計算在各工況下橋梁是否存在支座脫空的情況。表1為在上述2種工況下橋梁各支座反力的最小值。

表1 支座最小支反力 kN

注：1.支座反力中正號為壓力，負號為拉力；2.支反力已計入沖擊系數； 3.各工況下支座最小反力，分別為各支座最不利狀態下的最小支座反力。

由表1可見，在恒載+公路-I級標準值組合(工況一)下，支座均未發生脫空，說明該橋梁結構滿足規范要求；在恒載+1.3倍公路-I級荷載組合(工況二)下，1號墩和5號墩向心側支座均發生了脫空現象，說明該橋在車輛超載的情況下，存在一定傾覆風險。

2 參數敏感性分析

2.1 正交試驗設計

為提高參數敏感性分析的效率，本文選用正交試驗法[6]對影響橋梁傾覆穩定性的多個影響因素進行分析，該方法的基本原理就是在所考慮的若干個因素和水平中，挑選出最具代表性的試驗組合，進而科學合理的搭配試驗,從而大大提高試驗效率，試驗結果更具代表性和針對性，更能全面地反映客觀結果。

本文選擇的正交試驗因素為梁橋曲線半徑(因素A)、支座間距(因素B)與橋梁縱坡(因素C)。其中曲線半徑根據實際橋梁的應用情況，在試驗中取R=50，100，200 m 3個水平；支座間距在試驗中選擇2，3和4 m 3個水平；橋梁縱坡選擇0%,2%及5% 3個水平。將上述因素水平列于表2，利用正交表L9(34)安排的正交試驗方案見表3。

表2正交設計因素水平表

表3 正交試驗方案

2.2 試驗結果與分析

表4給出了本文正交試驗9個模型在工況一和工況二下的最小支座反力情況，其中正值表示支座受壓，負值表示支座脫空。

表4 正交試驗有限元分析支座反力結果 kN

由表4可見：①出現支座脫空的情況均發生于邊墩(1號墩和4號墩)，中墩均未發生脫空現象；②在其他條件相同的情況下，工況二產生的支座反力均小于工況一，可見，在車輛超載情況下，橋梁傾覆風險大增；③通過進一步對比分析可知，曲線半徑越小，橋梁更易傾覆，支座間距越小，橋梁更易傾覆，橋梁縱坡越大，橋梁更易傾覆。

為進一步分析確定曲線半徑、支座間距及橋梁縱坡對橋梁抗傾覆能力的影響程度。分別對邊墩和中墩支座的最小支座反力進行了列表分析，見表5和表6。

表5 邊墩支座反力 kN

表5中，R為每一列的極差，反映該列因素水平波動時，試驗結果的變動幅度。R越大，說明該因素對試驗結果的影響越大。由表5中可知：R(支座間距)>R(曲線半徑)>R(橋梁縱坡)，即支座間距對邊墩支座反力影響最大，曲線半徑次之，而橋梁縱坡對其的影響較小。

表6 中墩支座反力 kN

同樣由表6可知：R(曲線半徑)>R(橋梁縱坡)>R(支座間距)，即曲線半徑對中墩支座反力影響最大，橋梁縱坡次之，而支座間距對其的影響較小。

通過進一步比較表5和表6可見，3個因素對表5中的邊墩支座反力影響更大，且通過之前的研究發現，邊墩出現負支座反力(發生脫空)是傾覆的開始，而中墩支座基本不出現支座反力。因此，對橋梁的傾覆穩定性而言，在3個因素中，支座間距對邊墩支座反力影響最大，曲線半徑次之，而橋梁縱坡對其影響較小。

3 結論

1) 通常情況下，支座脫空的情況均發生于邊墩支座，而中墩支座很少出現支座脫空現象。

2) 在車輛超載情況下，支座負反力明顯增大，說明此時橋梁更易發生傾覆。

3) 曲線半徑越小，橋梁更易傾覆;支座間距越小，橋梁更易傾覆;橋梁縱坡越大，橋梁更易傾覆。

4) 對橋梁的傾覆穩定性而言，支座間距對邊墩支座反力影響最大，曲線半徑次之，而橋梁縱坡對其的影響較小。

[1] 王統寧,靳啟文,孫藝利,等.公路獨柱窄幅橋梁傾覆穩定性能[J].公路工程,2014(2):63-67.

[2] 莊冬利.偏載作用下箱梁橋抗傾覆穩定問題的探討[J].橋梁建設,2014,44(2):27-31.

[3] 彭衛兵,程波,史賢豪,等.獨柱墩梁橋傾覆破壞機理研究[J].自然災害學報,2014,23(5):98-106.

[4] 陳瑤,陳露曄,張建華.獨柱墩橋梁抗傾覆穩定驗算方法及參數影響分析[J].浙江交通職業技術學院學報,2013,14(3):1-6.

[5] 公路橋涵設計通用規范：JTG D60-2015[S].北京：人民交通出版社,2015.

[6] 李毅,張火土,李延平,等.基于正交試驗法的車用側墻板沖壓成形工藝參數分析[J].鍛壓技術,2012,37(2):21-24.