現澆箱梁橋抗傾覆穩定性參數敏感性分析

吳代生

(山東省公路設計咨詢有限公司 濟南市 250102)

0 引言

傾覆橋梁多為匝道橋，除過渡墩采用雙支座或多支座外，中間墩部分或者全部采用單支座[1]，加上車輛超載的影響，易造成橋梁傾覆。

國內外對橋梁抗傾覆影響因素的研究較多，根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362—2018)可知，傾覆橋梁的破壞過程會經歷兩種特征狀態，特征狀態1為單向受壓支座脫空；特征狀態2為整聯箱梁抗扭支撐失效，發生箱梁翻轉等破壞。應根據條文4.1.8規定的兩種工況進行抗傾覆分析計算[1]：

(1)在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態。即

RGki+1.4RQki>0

其中：RGki為永久作用標準值組合；RQki為失效支座對應最不利汽車荷載的標準值效應。

(2)按作用標準值進行組合時，整體式截面簡支梁和連續梁的作用效應應符合下式要求：

式中：kqf為橫橋向抗傾覆穩定性系數，取值2.5；∑Sbk,i為使上部結構穩定的效應設計值；∑Ssk,i為使上部結構失穩的效應設計值。

∑Sbk,i=∑RGkili

∑Ssk,i=∑RQkili

式中：li為第i個橋墩處失效支座與有效支座的支座中心間距。

通過工程實例，利用橋梁博士V4.4.0建立橋梁上部現澆預應力混凝土箱梁模型，通過修改支座布置形式、支座橫向間距和超載量，分析各參數對橋梁抗傾覆的影響，為類似現澆箱梁橋的抗傾覆驗算提供參考。

1 工程實例

1.1 工程概況

京滬高速公路工程萊蕪東樞紐A匝道第一聯上部結構采用4×25m現澆預應力混凝土連續箱梁；該橋平面位于R=140m的右偏圓曲線上，縱斷面位于R=2000m的豎曲線上。橋梁全寬12m，兩側設置SS級混凝土防撞護欄，橫向布置3車道，支座橫向間距6.8m；下部結構采用雙柱式橋墩，布置雙支座，支座布置形式見圖1[2]。

圖1 支座布置圖

1.2 建立橋梁博士模型

采用橋梁博士V4.4.0建立有限元模型，現澆箱梁按A類預應力混凝土構件設計，全橋共計122個節點，121個單元，成橋階段模型見圖2。

圖2 成橋階段橋梁模型

1.3 參數的選擇

荷載類型選擇公路-I級，橫向布置為(-5，5，3)，在運營階段進行抗傾覆驗算，最不利失穩效應算法采用最不利合計，抗傾覆定義如表1。

表1 抗傾覆定義表

1.4 計算結果

1.4.1支座脫空驗算

支座脫空驗算見表2。

表2 支座脫空驗算

1.4.2結構抗傾覆驗算

2 支座布置對現澆箱梁抗傾覆穩定性的影響

2.1 2#墩支座為固定單支座

2.1.1支座布置

2#墩支座僅采用固定單支座，其他橋墩支座布置形式仍同圖1。

表3 結構抗傾覆驗算

2.穩定效應采用橋梁博士V4.4.0中2018規范08a恒載標準值組合，失穩效應采用橋梁博士V4.4.0中2018規范08b活載標準值組合。

2.1.2結構抗傾覆驗算

結構抗傾覆驗算見表4。

表4 結構抗傾覆驗算

2.2 中間墩支座為單支座

2.2.1支座布置

1#橋墩和3#橋墩采用單向活動的單支座，2#橋墩采用固定單支座，0#橋臺和4#橋墩支座形式同圖1。

色度作為檸檬果醋的外在因素，很大一部分影響著檸檬果醋的售賣。對表3進行數據處理，計算得出ΔE21=2.01，ΔE32=0.22。可知釀造2個月的檸檬果醋較1個月的檸檬果醋的色差嚴重，而釀造3個月的樣品較2個月的樣品的色差可忽略不計。由此可推斷出釀造時間超過3個月后，檸檬果醋的色度將不再有大幅度改變。可得檸檬果醋的L值隨發酵時間的增加有遞增趨勢且趨于平穩，即亮度值不斷增加，產品更加鮮艷。

2.2.2結構抗傾覆驗算

結構抗傾覆驗算見表5。

表5 結構抗傾覆驗算

2.3 比較分析

圖3 抗傾覆系數與支座布置類型關系圖 注：圖中橫坐標1代表所有支座均采用雙排支座，2代表僅2#墩采用單支座，3代表中間墩均采用單支座。

由圖3可知：當僅2#墩支座采用單支座時，抗傾覆系數陡降，右傾系數下降83%，左傾系數下降79.2%；當中間支座均改為單支座后，與僅2#墩支座改為單支座相比，抗傾覆系數下降稍有減緩，右傾系數下降81.3%，左傾系數下降77.9%。由此可知，雙支座的數量對橋梁抗傾覆影響巨大，但中間墩均采用單支座時在公路-I級荷載作用下抗傾覆穩定性系數均滿足規范要求。

3 支座間距對現澆箱梁抗傾覆穩定性的影響

在均采用雙支座條件下給出支座間距對抗傾覆穩定性影響的詳細分析數據。

3.1 支座橫向間距為7.2m時抗傾覆驗算

表6 結構抗傾覆驗算

支座間距與橋梁寬度的比值：7.2/12=0.6。

3.2 支座橫向間距為6.4m時抗傾覆驗算

表7 結構抗傾覆驗算

支座間距與橋梁寬度的比值：6.4/12=0.53。

3.3 支座橫向間距為6.0m時抗傾覆驗算

表8 結構抗傾覆驗算

支座間距與橋梁寬度的比值：6.0/12=0.5。

3.4 比較分析

圖4 雙支座時抗傾覆系數與支座間距關系圖

由圖4可知：當所有支座均采用雙支座時，支座間距與抗傾覆系數的關系呈非線性變化，抗傾覆系數隨著支座間距的減小而減小，在合理的支座間距范圍內抗傾覆系數均滿足規范要求，且安全儲備較大。

圖5 單支座時抗傾覆系數與支座間距關系圖

由圖5可知：當中間墩均采用單支座時，支座間距與抗傾覆系數的關系呈線性變化，抗傾覆系數隨著支座橫向間距的減小而減小。當中間墩全部采用單支座時，在支座間距小于6.4m時，左傾抗傾覆系數小于2.5，不滿足規范要求。

與此同時，支座間距的確定不僅要考慮抗傾覆的影響，還應根據橫梁計算和支座大小確定，建議支座橫向間距與橋梁寬度的比值取0.567(=6.8/12)，此時既可以滿足抗傾覆要求，也有利于支座的安裝和橫梁的計算。

4 超載對現澆箱梁抗傾覆穩定性的影響

荷載類型分別選用公路-I級(qk=10.5kN/m，Pk=207～360kN)[3]、1.5×公路-I級、2.0×公路-I級和2.5×公路-I級類型，并以2#墩采用單支座，其他支座均為雙支座(橫向間距取6.8m)為例進行詳細計算分析。

4.1 公路-I級對現澆箱梁抗傾覆穩定性的影響

結構抗傾覆驗算內容見表4。

4.2 1.5×公路-I級對現澆箱梁抗傾覆穩定性的影響

表9 結構抗傾覆驗算

4.3 2×公路-I級對現澆箱梁抗傾覆穩定性的影響

表10 結構抗傾覆驗算

4.4 2.5×公路-I級對現澆箱梁抗傾覆穩定性的影響

表11 結構抗傾覆驗算

4.5 對比分析

由圖6可知：抗傾覆系數與荷載等級呈非線性變化，抗傾覆系數隨荷載等級的增加而減小。2#墩采用單支座時，在2.5×公路-I級荷載作用下抗傾覆仍能滿足規范要求，但此時已經超過公路-I級荷載作用下設計的現澆混凝土梁的承載能力極限狀態，不能為了滿足抗傾覆要求而進行超筋設計。

圖6 2#墩單支座時抗傾覆系數與荷載等級關系圖

由圖7可知：抗傾覆系數與荷載等級呈非線性變化，抗傾覆系數隨荷載等級的增加而減小。中間墩均采用單支座時，1.5×公路-I級荷載作用下抗傾覆已經不滿足規范要求，抗傾覆能力較差。

圖7 單支座時抗傾覆系數與荷載等級關系圖

綜上，不論支座如何布置，抗傾覆穩定性均隨超載量的增大而減小。當中間墩均采用單支座布置時抗超載能力較差，在超載嚴重路段應注重對中間墩采用單支座的橋梁進行抗傾覆驗算。

為保證行車安全，應加強橋梁的管理與養護，限制超載車輛通行。確需大件超限運輸時，應進行承載力和抗傾覆驗算。

5 結論

通過分析可知，支座的布置形式、支座的橫向間距和超載量對曲線上現澆箱梁橋的抗傾覆穩定性影響顯著。

(1)雙支座的布置數量對橋梁抗傾覆影響巨大，但中間墩均采用單支座時在公路-I級荷載作用下抗傾覆穩定性系數均滿足規范要求。

(2)當所有支座均采用雙支座時，支座間距與抗傾覆系數的關系呈非線性變化；當存在單支座時，支座間距與抗傾覆系數的關系呈線性變化。抗傾覆系數隨著支座間距的減小而減小。建議支座橫向間距與橋梁寬度的比值取0.567。

(3)抗傾覆系數與荷載等級呈非線性變化，抗傾覆系數隨荷載等級的增加而減小。不宜為滿足橋梁抗傾覆驗算而進行過度設計，應加強橋梁的管理與養護，限制超載車輛通行。

(4)右偏圓曲線上的橋梁右傾穩定系數總是比左傾穩定性系數大，曲率半徑對抗傾覆穩定性的影響仍需進一步論證。