橋梁橫向傾覆穩(wěn)定性及加固效果對比研究

劉凱波

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430063)

近年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通量逐年增長，車輛超載超限現(xiàn)象明顯。另一方面，由于部分橋梁修建年代較為久遠(yuǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)考慮的交通量不足，造成部分橋梁發(fā)生傾覆事故的概率增加，橋梁的橫向穩(wěn)定性問題日益突出[1-3]。2007年包頭市民族東路高架側(cè)傾(主線)；2009年津晉高速匝道橋側(cè)傾；2010年南京市內(nèi)環(huán)高架匝道施工中發(fā)生側(cè)傾；2011年上虞市春暉互通立交匝道側(cè)傾；2012年哈爾濱市陽明灘大橋匝道橋側(cè)傾；2015年贛粵高速河源出口匝道橋側(cè)傾；2019年10月10日，江蘇無錫312國道橋梁發(fā)生傾覆事故，造成3人死亡，2人受傷。后經(jīng)調(diào)查組調(diào)查分析，認(rèn)為事故系運(yùn)輸車輛嚴(yán)重超載所致。盡管專家組對橋梁的設(shè)計(jì)、施工并未提出質(zhì)疑，但民眾對獨(dú)柱墩的安全性仍存有疑問[4]。

本文根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》正式稿及征求意見稿中對結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定的計(jì)算方法及要求進(jìn)行研究，分析2種計(jì)算方法的原理，采用案例分析2種算法的計(jì)算結(jié)果差異。

1 橋梁傾覆原理研究

現(xiàn)行橋梁橫向穩(wěn)定要求及指標(biāo)出自JTG 3362-2018 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)[5]，在此之前曾有過一版征求意見稿，二者對傾覆問題的規(guī)定相差較大。

1.1 征求意見稿中對橋梁傾覆問題的規(guī)定

《規(guī)范》征求意見稿中規(guī)定，橋梁傾覆失效荷載及穩(wěn)定荷載效應(yīng)應(yīng)采用傾覆軸的方式進(jìn)行計(jì)算，扭轉(zhuǎn)軸示意見圖1。

圖1 《規(guī)范》征求意見稿中扭轉(zhuǎn)軸示意圖

該稿假設(shè)橋梁發(fā)生傾覆時(shí)為沿著1條傾覆軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)失效荷載大于穩(wěn)定荷載時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆失效，與正式稿相同，為保證一定安全余量，穩(wěn)定荷載效應(yīng)與失效荷載效應(yīng)的比值應(yīng)大于2.5。這種假設(shè)即認(rèn)為橋梁在重車荷載下壓翻，類似于蹺蹺板原理，屬于純穩(wěn)定問題[6-7]。在計(jì)算時(shí)按照以下步驟進(jìn)行。

1) 根據(jù)橋梁類型及支座布置形式，確定傾覆軸。

2) 分別計(jì)算橋梁在重力及移動(dòng)荷載下的支座反力，需要注意的是在計(jì)算移動(dòng)荷載下支座反力時(shí)，需采用并發(fā)反力值。

3) 根據(jù)橋梁各支座距離傾覆軸的距離分別計(jì)算失穩(wěn)荷載效應(yīng)及穩(wěn)定效應(yīng)，從而計(jì)算結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定系數(shù)。

(1)

式中：γqf為結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)，《規(guī)范》征求意見稿規(guī)定；γqf應(yīng)大于2.5；Sbk為結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定效應(yīng)值；Ssk為結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)效應(yīng)值；RGi為結(jié)構(gòu)在自重(包含結(jié)構(gòu)重力，二期鋪裝及橋梁附屬設(shè)施等產(chǎn)生的重力)下第i個(gè)支座的反力值；xi為第i個(gè)支座距傾覆軸的偏心距；μ為結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)；qk為橋梁所受車輛荷載中的均布力；Ω為傾覆軸與橋梁邊緣圍成區(qū)域的面積；Pk為橋梁所受車輛荷載中的集中力；e為集中力與傾覆軸之間的距離。

由式(1)可見，征求意見稿件，結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)是由于橋梁結(jié)構(gòu)以最外側(cè)2個(gè)支座連接線形成的傾覆軸為分界線，左右兩側(cè)的集中力及分布力對此軸的力偶不平衡造成傾覆。且認(rèn)為橋梁上部結(jié)構(gòu)本身不發(fā)生任何形變。

1.2 《規(guī)范》正式稿下結(jié)構(gòu)傾覆的原理

發(fā)行實(shí)施的《規(guī)范》正式稿對橋梁傾覆的穩(wěn)定性系數(shù)未做改變，但失效及穩(wěn)定效應(yīng)的計(jì)算方法與征求意見稿變化較大。

在正式稿中，認(rèn)為橋梁發(fā)生傾覆是由于結(jié)構(gòu)失效效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)軸的扭矩大于穩(wěn)定效應(yīng)對扭轉(zhuǎn)軸的扭矩，從而發(fā)生扭轉(zhuǎn)傾覆。而與征求意見稿的傾覆軸不同，該扭轉(zhuǎn)軸是根據(jù)橋梁每個(gè)橋墩的最外側(cè)支座確定，而非1條直線。

失效支座的規(guī)定是在臨界傾覆狀態(tài)下，同一排橋墩上的支座，曲線半徑最外側(cè)為有效支座，其他同排的為失效支座，當(dāng)某一跨僅有1個(gè)支座時(shí)，視為有效支座。傾覆計(jì)算受力示意見圖2。

圖2 《規(guī)范》正式稿中扭轉(zhuǎn)軸示意圖

正式稿不再分別計(jì)算移動(dòng)荷載中集中力和均布力對扭轉(zhuǎn)軸的力偶，而是分別計(jì)算每個(gè)支座的安全系數(shù)，對后續(xù)的加固設(shè)計(jì)更具指導(dǎo)意義。

2 案例分析

2.1 橋梁概況

某互通匝道橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，截面采用箱形形式，跨徑組合為28 m+36 m+28 m，平面位于R=120 m的圓曲線上。墩柱布置：0號(hào)臺(tái)、1號(hào)、3號(hào)墩采用雙支承，支座間距4.82 m；2號(hào)墩為獨(dú)柱單支承。

采用midas Civil建立結(jié)構(gòu)有限元模型見圖3。

圖3 橋梁有限元模型

2.2 采用征求意見稿計(jì)算結(jié)構(gòu)的抗傾覆性

由于正式稿和征求意見稿中對狀態(tài)1即支座是否脫空的規(guī)定相同，即在重力荷載和1.4倍移動(dòng)荷載作用下，支座不能發(fā)生脫空情況，故不對該狀態(tài)進(jìn)行比較，只對比特征狀態(tài)2下的傾覆驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 成橋狀態(tài)支座反力及其到傾覆軸線的垂直距離

由上述各參數(shù)，得出抗傾覆安全系數(shù)

橋梁整體抗傾覆系數(shù)大于2.5，滿足《規(guī)范》要求，且具有較大富余。

2.3 采用正式稿中的計(jì)算方法計(jì)算傾覆穩(wěn)定性

本聯(lián)箱梁位于曲線上，按 《規(guī)范》第4.1.8 條規(guī)定，特征狀態(tài)2下箱梁傾覆驗(yàn)算計(jì)算過程見表2。

表2 《規(guī)范》計(jì)算結(jié)構(gòu)抗傾覆效應(yīng) kN·m

由表2計(jì)算結(jié)果，得出抗傾覆安全系數(shù)

由以上各支座抗傾覆系數(shù)可見，3個(gè)失效支座的穩(wěn)定系數(shù)均大于2.5，滿足《規(guī)范》的要求。

與征求意見稿不同，正式稿中分別給出了3個(gè)失效支座的安全系數(shù)，可以看出1-a號(hào)支座的抗傾覆系數(shù)與征求意見稿相近，而2-a號(hào)支座的抗傾覆系數(shù)明顯較征求意見稿的計(jì)算結(jié)果小，表明此支座更加危險(xiǎn)，且未在征求意見稿中體現(xiàn)，存在一定安全隱患，即總體抗傾覆系數(shù)滿足要求，但單個(gè)支座不滿足要求。

3 加固效果研究

當(dāng)結(jié)構(gòu)抗傾覆性能不滿足《規(guī)范》要求，或則當(dāng)抗傾覆能力富余量較小時(shí)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗傾覆加固是較為經(jīng)濟(jì)的一種選擇。常見的加固選擇方案[8-9]見圖4。

圖4 抗傾覆加固常用方式

加固的目的主要是增加穩(wěn)定效應(yīng)中失效支座與有效支座的距離。目前較為經(jīng)濟(jì)有效的方案是對橋墩進(jìn)行加固。方案一為在加固后的橋墩上增加1個(gè)支座，(3號(hào)墩處增加1個(gè)支座，支座布置同其他橋墩支座)，改變之前單支座受力不利的狀況。方案二為在滿足帽梁受力性能的基礎(chǔ)上，移動(dòng)支座，增加同一跨支座間的距離(將2號(hào)橋墩支座間距由4.82 m調(diào)整為8 m)，對結(jié)構(gòu)承受偏載壓力亦有有利影響。為對比2種加固方式的加固效果，分別建立了2種狀況下的有限元模型(見圖5)，然后計(jì)算其抗傾覆系數(shù)。

圖5 不同加固方式的有限元模型

對以上2種加固方式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方式均采用正式稿中規(guī)定的扭轉(zhuǎn)失效。對狀態(tài)2的抗傾覆系數(shù)統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 不同加固方式下的抗傾覆系數(shù)

由表3可見，在單支座處增加1個(gè)支座可以明顯改善之前安全富余度較低的2號(hào)墩支座，且對其他支座安全性具有一定的提高效果，增加支座間距，對2號(hào)墩支座抗傾覆系數(shù)的提高效果更為明顯，但對其他支座的提高程度不如方式一的加固效果好。

4 結(jié)語

本文對2種版本中抗傾覆系數(shù)的計(jì)算原理及不同加固效果進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，在征求意見稿中，傾覆軸為一直線，橫向失穩(wěn)屬于類似蹺蹺板的直接壓翻，而正式稿中則為繞最不利軸的扭轉(zhuǎn)失效，且最不利軸不再限定為直線，而是根據(jù)橋梁的具體支座布置形式確定。

征求意見稿給出了整橋的抗傾覆系數(shù)，而正式稿則提供了單個(gè)支座的抗傾覆系數(shù)，且單個(gè)支座的橫向穩(wěn)定性可能較整體穩(wěn)定性差，因此，正式稿的驗(yàn)算方法偏更安全，且可為結(jié)構(gòu)的后續(xù)抗傾覆加固提供參考。