獨柱花瓶墩匝道橋抗傾覆穩定性影響因素分析
2023-12-29 00:00:00江京翼鞠玉財鄧小康
西部交通科技 2023年6期
作者簡介：江京翼（1990—），碩士，工程師，主要從事橋梁檢測工作。
摘要：獨柱花瓶墩匝道橋在城市立交工程中應用廣泛，研究各影響因素下其抗傾覆穩定性的變化規律對于此類結構的傾覆風險排查評估具有重要意義。文章通過建立基于不同設計參數的結構有限元模型，在分析其恒載和活載作用下的支座反力變化規律的基礎上，進一步探討了不同影響因素下的橋梁抗傾覆穩定性變化規律。結果表明：曲率半徑小、支座間距小、箱梁寬度大和獨柱墩單支承形式都會顯著降低橋梁的抗傾覆穩定性；橋梁跨徑的增加會使得其失穩效應和穩定效應同步增加，對橋梁的抗傾覆穩定性影響不明顯。
關鍵詞：獨柱花瓶墩；匝道橋；抗傾覆穩定性
中圖分類號：U446.2A331093
0 引言
獨柱花瓶墩結構造型優美、節約空間，墩頂與上構箱梁間常采用雙支座傳力，較獨柱圓墩單支座結構橋梁的抗傾覆穩定性好，在城市立交橋的分離式匝道和上下引橋的設計中占據重要地位［1-3］。近年來，隨著經濟社會的高速發展，超載超限車輛的日益增加，在車道偏載作用下，常因橋梁整體橫向失穩而引起傾覆事件，造成重大的經濟損失和惡劣的社會影響，因此需要對正在運營的橋梁進行全面排查和整治［4］。城市立交工程廣泛采用的獨柱花瓶墩匝道橋，其橫橋向常采用間距較小的雙支座支承，部分橋墩因受橋下地形地物的影響改變了橋墩的角度而采用單支座支承，成為橋梁傾覆的重要風險源。在實際橋梁傾覆風險排查評估中，每座城市立交橋通常所包含的匝道數量眾多，對各匝道逐聯建立計算模型進行分析，工作量大，容易浪費有限資源。同時，獨柱墩雙支承匝道橋相對于獨柱墩單支承匝道橋傾覆風險相對較小，逐聯進行分析計算亦無必要。本文通過有限元方法建立了若干獨柱花瓶墩匝道橋聯的仿真計算模型，分析了曲率半徑、橋梁跨徑、箱梁寬度、支座間距和支承形式等因素影響下的橋聯抗傾覆穩定性變化規律，可為已運營的城市獨柱花瓶墩結構橋梁的傾覆風險排查評估和新建橋梁的抗傾覆設計提供參考。
1 工程概況
本研究選取了實際工程曲率半徑、橋梁跨徑、箱梁寬度、支座間距和支承形式不同的7座典型獨柱花瓶墩匝道橋橋聯進行抗傾覆穩定性分析，主要設計參數見表1。上部結構采用單箱雙室整體現澆預應力混凝土連續箱梁，箱梁梁高為1.40 m，箱梁底寬為6.00 m，箱梁頂寬8.00 m或10.00 m，混凝土強度為C50，橋面鋪裝采用10 cm厚C50混凝土+10 cm厚的瀝青混凝土。橋面設計為兩車道，無人行道。箱梁截面構造見圖1和圖2，獨柱花瓶墩支承布置見圖3。
2 有限元模型
獨柱花瓶墩匝道橋抗傾覆穩定性影響因素分析/江京翼，鞠玉財，鄧小康
2.1 計算模型
采用有限元軟件Midas Civil對每橋聯建立了空間梁格模型進行計算分析。上部結構的混凝土結構容重按γ1=26 kN/m3計算，橋面防水混凝土層及瀝青混凝土容重取γ2=25 kN/m3，混凝土彈性模量Ec=3.50×104 MPa。在建模時采用以下假定：
（1）混凝土、鋼筋為理想彈性材料，材料的彈性模量為常數；（2）在抗傾覆驗算中，按最不利情況考慮，不考慮防撞墻和橋面鋪裝對橋梁抗彎能力的提高，僅考慮其質量對結構的影響，計算時按每延米計入；（3）截面變形符合平截面假設。選取三個典型橋聯的有限元計算模型見圖4。
2.2 驗算荷載及加載模式
汽車驗算荷載采用《城市橋梁設計規范（2019年版）》（CJJ 11-2011）第10.0.2條規定的城-A級車道荷載。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）［4］第4.1.8條，特征狀態Ⅰ驗算時，采用作用的基本組合，即1.0×恒載+1.4×活載；特征狀態Ⅱ驗算時采用作用的標準值組合，即1.0×恒載+1.0×活載。
對于驗算橋聯的行車道寬有7 m和9 m兩種類型，均為單向雙車道。根據《城市橋梁設計規范（2019年版）》（CJJ 11-2011）第10.0.2條的規定，橫向分別考慮汽車荷載偏內側和偏外側布置兩種工況，每種工況布置兩列車道荷載。程序自動計算失效支座對應的豎向反力及其移動荷載分布情況，并將此移動荷載轉換為靜力荷載，在此基礎上計算失效支座對應工況下的其余支座最不利汽車荷載效應值。
3 抗傾覆穩定性分析
3.1 抗傾覆穩定性計算方法
根據文獻［4］第4.1.8條，在持久狀況下，橋梁不應發生結構體系改變，并應同時滿足下列規定：
（1）在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態；
（2）按作用標準值組合進行上部結構抗傾覆驗算時，對于整體式截面簡支梁和連續梁，其上構穩定效應∑Sbk，i與失穩效應∑Ssk，i的比值kqf（即橫向抗傾覆穩定性系數）應≥2.50。
3.2 抗傾覆穩定性計算結果
3.2.1 恒載作用下支座反力
橋梁永久荷載標準值效應下各橋聯支座反力計算結果見表2和表3。
分析橋聯1、橋聯3、橋聯4和橋聯7的計算結果，可以發現永久荷載標準值效應作用下，各橋墩上所有支座的反力之和與曲率半徑、支座間距、支承形式無關。而對比橋聯1、橋聯3和橋聯4的計算結果可以看出，曲率半徑會改變同一橋墩上兩個支座反力的分配比例，曲率半徑越小，外側支座受力越大，內側支座受力減小，這種變化在邊墩體現得更為明顯。橋聯3和橋聯7的計算結果顯示，中墩支承形式的改變對其他橋墩內外側支座的受力分配影響較小。而通過分析橋聯4和橋聯5的支座反力，可以發現在同一曲率半徑條件下，支座間距對橋聯各橋墩內外側支座的受力分配存在影響，支座間距越大，內外側支座的受力更為均勻。
3.2.2 活載作用下支座反力
橋梁失效支座對應最不利汽車荷載的標準值效應下支座豎向力計算結果見表4、表5。
曲線匝道橋具有明顯的空間力學行為，當汽車荷載在橋梁內外側進行加載時，橋梁內外側支座的受力存在明顯差異。綜合分析橋聯3和橋聯4的支座反力計算結果，可以發現，汽車荷載在外側進行加載時，對橋梁的抗傾覆相對較為不利，特別是在曲率半徑較小時表現突出。
橋面寬度的變化會使汽車荷載的布載產生差異，橋面越寬時，汽車荷載對梁體產生的扭矩更大，從而影響到支座的內力分配。對比橋聯2和橋聯3的計算結果可以發現，橋面寬度增加時，內外側支座的反力差異變大；當在橋面外側布載時，內側支座的拉力顯著增大。
對比分析橋聯4和橋聯6的豎向反力，發現在同樣的布載條件下，橋梁跨徑的增加會使梁體的扭矩增大，進而影響支座的內力分配。橋梁跨徑越大，支座反力分配相對不均，內側支座負反力相對更大。
橋聯1、橋聯3和橋聯4的計算結果表明，支座間距和曲率半徑對橋梁的支座反力分配存在影響。支座間距越大，內外側支座的受力趨于均勻；曲率半徑越小，外側支座受力越大，而內側支座負反力更大。橋聯3和橋聯7的計算結果表明，在其余參數相同時，中墩支座布置形式不會影響其余橋墩的內力分配結果。
3.2.3 支座狀態和抗傾覆穩定性系數
根據橋梁永久荷載標準值效應下各橋聯支座反力和橋梁失效支座對應最不利汽車荷載的標準值效應下支座反力的計算結果，利用新橋規第4.1.8條的計算方法，計算得出特征狀態Ⅰ和特征狀態Ⅱ的結果（見表6）。
橋聯4～6的計算結果顯示，即使橋梁的抗傾覆穩定系數滿足規范最低2.50的要求，也無法確保單向受壓支座始終保持受壓狀態。因此，橋梁的抗傾覆穩定驗算必須綜合分析特征狀態Ⅰ和特征狀態Ⅱ的驗算結果。
從特征狀態Ⅰ的角度分析，對比橋聯1和橋聯3、橋聯1和橋聯7可以發現，曲率半徑的減少、支承形式由雙支座變化為單支座都會使得特征狀態Ⅰ不滿足規范要求，即支座會出現受拉狀態，橋梁存在傾覆風險。
從特征狀態Ⅱ的角度分析，分別計算汽車荷載布置在橋聯外側和內側的抗傾覆穩定系數，結果表明當在橋聯外側布載時，橋梁的抗傾覆穩定系數相對更低。因此，在對曲線匝道橋進行抗傾覆穩定計算時，應重點考慮汽車荷載布置在橋聯外側的情況。
橋聯3～5的抗傾覆穩定系數依次降低，充分說明曲率半徑和支座間距的減少會顯著降低橋聯的抗傾覆穩定性。橋聯2～3的對比分析結果表明，箱梁寬度會顯著影響橋聯的抗傾覆穩定性，箱梁寬度越大，橋聯抗傾覆穩定系數越低。從橋聯4和橋聯6的分析結果可以看出，跨徑的增加使得橋聯在汽車荷載作用下失穩的效應增大，但同時跨徑增加使得結構自重增加，從而導致結構穩定的效應增加。因此，橋聯跨徑的變化對結構抗傾覆穩定性的影響不明顯。
4 結語
本文針對城市廣泛采用的獨柱花瓶墩匝道橋，建立了基于不同設計參數的有限元模型，分析了該類結構在恒載和活載作用下的支座反力變化規律，進而探討了不同影響因素下的橋梁抗傾覆穩定性變化規律，可以得出以下結論：
（1）當汽車荷載布置在獨柱花瓶墩匝道橋外側時，橋梁的抗傾覆穩定性較差，因此應采用外側布載的方式計算橋梁的抗傾覆穩定性。
（2）獨柱花瓶墩匝道橋的抗傾覆穩定性必須結合特征狀態Ⅰ和特征狀態Ⅱ的計算結果進行綜合分析。特征狀態Ⅱ計算所得的抗傾覆穩定系數顯著大于規范限值的情況下，也不能確保特征狀態Ⅰ的計算結果滿足規范要求。
（3）曲率半徑小、支座間距小、箱梁寬度大的獨柱花瓶墩雙支承橋梁和因特殊原因而個別橋墩采用獨柱單支承形式的橋梁，其抗傾覆穩定性都會顯著降低，在橋梁的抗傾覆穩定性風險排查時應重點關注。而橋聯跨徑的增加會使得其失穩效應和穩定效應同步增加，對橋梁的抗傾覆穩定影響不明顯。
參考文獻
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［4］JTG 3362-2018，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.
