支座的橫向寬度對橋梁抗傾覆性能的影響研究

尹俊成

(浙江工業大學 土木工程學院 杭州市 310014)

0 引言

近年來,我國橋梁建設事業迅速發展。為了改善交通狀況,緩解壓力,各地政府大量修建城市高架、立交,希望建成立體交通網絡。獨柱墩連續橋梁結構簡單,占地面積小,地形適應性好,可以有效避開城市地下復雜管線,避免地下通道的影響,減輕對已建成道路的影響,同時橋下行車視野開闊,過往車輛可以安全行駛,不會因視野不良造成交通事故。該橋外形簡潔美觀,能滿足城市景觀需求,造價也更加低廉[1]。

獨柱墩橋梁具有諸多優點,然而隨著獨柱墩連續梁橋的大量使用,獨柱墩傾覆事故的頻繁發生也已經引起我國工程界、特別是設計人員對橋梁設計理論的思考。以前,橋梁設計人員往往只關心橋梁的縱向應力分析,而忽略了橋梁結構的橫向應力分析,甚至忽略橋梁結構的橫向抗傾覆穩定性分析[2]。因此,2018年發布的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[3](以下簡稱“《規范》”)針對獨柱墩的抗傾覆能力添加了新規定,要求橫向抗傾覆穩定系數不小于2.5。除相關規范外,還出臺了一些專項技術要求。

在查閱相關規范的同時,發現在獨柱墩梁橋抗傾覆驗算中,并沒有把支座當成一個面來考慮,而是當成一個點,這樣的計算方式使獨柱墩梁橋的支座只承受豎向反力,不承受扭矩,從而忽略了支座尺寸對橋梁橫向抗傾覆的有利影響。實際上,獨柱墩的支座能夠承擔一部分扭矩。對于現有的部分獨柱墩梁橋,按照支座的點支承計算,其不滿足抗傾覆穩定性要求。但考慮支座的橫向寬度后,可能會滿足其抗傾覆穩定性要求。文章探討獨柱墩的構造設計和精細化分析計算,依托科學合理的設計,提升獨柱墩梁橋抗傾覆穩定性。

1 理論分析

針對獨柱墩梁橋抗傾覆加固問題,一種有效的方法是在獨柱墩支座上增設支座,形成多支撐結構。這種加固方案能顯著提升獨柱墩梁橋的抗傾覆能力。當新增支座間距小于支座橫向寬度時,支座的橫向寬度會對獨柱墩橋梁抗傾覆穩定性產生影響。王兵見等[4]通過理論推導了支座橫向寬度對橋梁抗傾覆穩定性的有利影響。莊東利[5]認為,橋梁橡膠支座的橡膠是超彈性體材料,將彈性材料模擬為剛體的計算方法是不正確的。在橋梁傾覆過程中,應深入研究支座的受力性能以及支座與箱梁之間的相互作用。由于在偏載作用下,橡膠支座橫向邊緣有一定的壓縮差,而這個壓縮差能形成一定的扭矩,理論上可抵消一部分荷載產生的扭矩,但抵消的多少,即對抗傾覆穩定性影響的多少,需要通過支座寬度模擬來分析考慮支座實際的橫向寬度對抗傾覆穩定性的影響。傳統的點支承模擬無法反映這一點。此外,支座的彈簧系數和間距也是影響橋梁抗傾覆穩定性的關鍵因素。因此,在計算分析獨柱墩梁橋抗傾覆穩定時,可以考慮增加支座實際橫向寬度和彈簧系數,以得到較為準確的抗傾覆穩定性系數,而不是作為安全裕度儲備。

文章以實際工程項目為依托,采用有限元分析軟件對獨柱墩梁橋進行抗傾覆穩定性分析,通過使用點代線的方法模擬西環路板式橡膠支座的橫向寬度,研究板式橡膠支座橫向寬度對獨柱墩橋梁抗傾覆穩定性的影響。

2 工程實例

西環路二號橋為溫嶺市西環路工程,工程全長658.65m,是分離式雙向六車道城市快速路跨線立交橋,道路中心平曲線半徑為2498.0m。

其中第二聯8～11跨全長68m,跨徑組合為20m+28m+20m預應力混凝土連續箱梁;第三聯11～16跨全長124m,跨徑組合為20m+3m×28m+20m箱梁;第五聯21～26跨全長128m,跨徑組合為22m+3m×28m+22m箱梁,均為有2～4個獨柱墩的連續彎梁橋,其余橋梁屬于多柱支撐,不屬于單柱支撐,在此不做研究。單幅橋面寬度為0.5m(防撞護欄)+16.0m(機動車道)+0.5m(防撞護欄)=17m,橋面鋪裝為6cm瀝青混凝土(23kN/m3)+防水層+8cm 40號防水混凝土(24kN/m3),防撞護欄為9.5kN/m,汽車荷載為城-A級。獨柱墩上支座為2塊700mm×1000mm×183mm板式橡膠支座拼接而成,邊墩上支座為2塊350mm×500mm×79mm板式橡膠支座。圖1為第二聯支座布置示意圖。邊墩支座如圖2所示。

圖1 第二聯支座布置示意圖

圖2 獨柱墩支座平面圖(單位:cm)

3 數值仿真模擬

文章利用Midas Civil軟件對西環路梁橋的上部結構及支座進行了實體精細化建模。為了準確模擬橋梁受力情況,采用梁格法建模[6],并分析支座橫向寬度對梁橋抗傾覆穩定性的影響。

在進行支座建模時,分別采用了通常情況下的單點支承和文章考慮支座橫向寬度的多點支承。在模擬支座橫向寬度的多點支承時,將支座橫向等分,取其中心進行支座橫向寬度模擬,并根據支座整體的彈簧系數平均分配到各個點支撐。各點支撐僅模擬豎直方向彈簧系數和水平方向彈簧系數,支座彈簧系數詳見表1。

表1 獨柱墩支座多點支承彈簧系數及間距

采用Midas Civil 及Civil Designer對橋梁進行抗傾覆驗算,按《規范》第4.1.8條規定,持久狀況下,梁橋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)按作用標準值進行組合時,按照《規范》第7.1.1條取用,整體式截面簡支梁和連續梁的作用效應需符合式(1)要求:

(1)

式(1)中:kqf為橫橋向抗傾覆穩定性系數(簡稱抗傾覆系數),取kqf=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。

在模擬獨柱墩支座的橫向寬度時,獨柱墩支座采用剛性連接+彈性連接+固定支承來模擬支座的彈性連接。通過增加橫向彈性連接點的數量,來精確模擬支座的橫向寬度。而邊墩支座僅采用單點彈性連接模擬,西環路第二聯單點彈性連接有限元模型如圖3所示,傾覆結果詳見表2、表3。

表2 西環路第二聯作用基本組合支點最小反力

表3 西環路第二聯傾覆驗算-橫橋向抗傾覆穩定系數

圖3 西環路第二聯單點彈性連接圖

西環路第二聯最小支反力為-196kN,抗傾覆穩定系數為1.36,不滿足規范要求。為節省篇幅,文章將省略比較大小的步驟,僅列出最終結果。

西環路第三聯最小支反力為-921kN,抗傾覆穩定系數為0.92,不滿足規范要求。

西環路第五聯最小支反力為-816kN,抗傾覆穩定系數為1.00,不滿足規范要求。

按規范計算西環路抗傾覆穩定系數遠小于2.5,但西環路自2005年運營至今并未發生傾覆事故,全橋年度橋梁檢測的技術狀況均為B級,存在近年沒有重載、超載車輛通過的原因。但為了安全起見,根據《要求》也應盡快進行西環路或東環路獨柱墩加固。

獨柱墩彈性連接的支反力與抗傾覆穩定系數詳見表4,其支反力與抗傾覆穩定系數均取邊跨支座最小值。

表4 獨柱墩多點支撐對橋梁抗傾覆穩定性的影響

4 結果分析

為方便查看規律,繪制了多點彈性連接最小支反力與橫橋向抗傾覆穩定系數曲線圖,如圖4、圖5所示。

圖4 多點彈性鏈接最小支反力

圖5 多點彈性鏈接橫橋向抗傾覆穩定系數

由圖可知,隨著彈性連接點數量增加,最小支反力與抗傾覆穩定系數逐漸增大。增長速度在單點彈性連接到兩點彈性連接時較快,這是因為單點支承未考慮支座能夠抵抗一部分扭矩的影響。隨后,增長速度逐漸放緩,說明支座的橫向寬度只能抵抗有限度的扭矩。

在考慮支座橫向寬度后,西環路第二聯、第五聯獨柱墩梁橋均能夠滿足《規范》要求。然而,對于第三聯連續彎梁橋,從增長趨勢來看,邊跨支座支反力仍可能為負值,表明支座橫向寬度只能吸收有限的扭矩。因此,應該先對第三聯獨柱墩連續彎梁橋進行加固。

橋梁設計過程中,支座雖然是很小的傳力構件,卻非常重要。在獨柱墩單支點橫向計算時,往往當作點鉸支撐,未考慮支座橫向寬度對其橫向受力影響。實際上,在車輛荷載偏載作用下,支座內外存在壓縮差,從而會形成一個橫向彎矩,對橋墩造成不利影響。某些獨柱墩橋梁事故也是由于橋墩橫向強度不足而彎曲破壞,這也間接證明獨柱墩單點支撐的支座可以吸收一部分扭矩。獨柱墩支座的橫向寬度越寬,支座與橋墩接觸面積就越大,支座就可以提供更多的摩擦力用以抵抗橋梁的傾覆。因此,考慮支座的橫向寬度,能夠顯著提高獨柱墩橋梁抗傾覆穩定性。

5 結論

文章考慮獨柱墩連續彎梁橋支座的橫向寬度,通過對溫嶺市西環路三聯連續彎梁橋進行Midas Civil建模分析,得出如下結論:

(1)獨柱墩支座有限度的抗扭能力對梁橋抗傾覆穩定性有較大影響,支座橫向寬度越大,可抵抗的扭矩也就越大,對梁橋抗傾覆穩定性提升就越大。

(2)今后在獨柱墩梁橋設計和在役橋梁加固分析中,可以適當考慮獨柱墩支座的橫向寬度對梁橋抗傾覆的有利影響,以節約造價。

(3)今后在獨柱墩梁橋設計和在役橋梁加固分析中,可以適當考慮獨柱墩支座的橫向寬度對梁橋抗傾覆的有利影響,以節約造價。