大跨徑連續(xù)曲線梁橋抗傾覆穩(wěn)定性分析

【中圖分類號】：U441 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）04-17-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.04.005

Stability Analysis of Long-span Continuous Curved Girder Bridge Anti-overturning

HEXingwen，LIANGJiahao'，SHILei2，GUOZihua2

1.SchoolffrastructureEngineering，alianUniversityofTehnology，Dalian64，China;2.DesignInstituteofCivilEig amp;Architecture of DalianUniversity of Technology Co.，Ltd.，Dalian116ooo，China）

【Abstract】：Toanalyzetheanti-overturningstabilityoflong-spancurvedgirderbridgesundertraffcloads，theself-developed vehicle-bridge coupling vibration analysis program wasunutilized toestablish a three-dimensional finite elementbridge modelanda17-degree-of-freedomvehicle dynamic model.The vehicle-bridgecoupling vibration equation wasderived based onthe finite element method and d'Alembert's principle.A numerical simulation FORTRAN program was developed based on the modal superposition method and Newmark- β numericalintegration method to investigatethe response characteristicsofvehicle speed，vehicledriving eccentricity，bridge support spacing and other factors on the bridge support reaction.The influence of these factors on the bridge anti-overturning stability was analyzed.

【Keywords】：curved girder bridge；vehicle-bridge coupling；anti-overturning

隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，為了適應(yīng)路線設(shè)計需要并提升整體美觀性，越來越多的曲線梁橋被廣泛應(yīng)用于公路交通中。因結(jié)構(gòu)特點，曲線梁橋的抗傾覆穩(wěn)定性一直是工程中關(guān)注的重要問題。傾覆事故的發(fā)生往往與多種因素有關(guān)，包括設(shè)計缺陷、施工質(zhì)量、車輛超載影響、外部環(huán)境因素等；盡管在設(shè)計和施工過程中采取了多種措施以確保其安全性，曲線梁橋因其結(jié)構(gòu)特點在特定條件下仍可能比其他橋型面臨更大的傾覆風(fēng)險。

我國目前缺少曲線梁橋的專門設(shè)計規(guī)范，鑒于實際服役中的傾覆事故時有發(fā)生，一些學(xué)者對曲線梁橋抗傾覆問題進行了研究。周子杰等結(jié)合理論研究與有限元技術(shù)，歸納出在不同的曲率半徑和支座布局條件下如何選擇傾覆軸；SHI等2-3基于多個橋梁傾覆案例，識別了幾種不同的失效方式，提出橋梁的傾覆有時是由于結(jié)構(gòu)部件的強度失效導(dǎo)致，指出在計算橋梁的抗傾覆系數(shù)時，需考慮到傾覆力矩臂；ZHUANGD等4研究了在重型車輛偏載作用下橋梁上部結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)過程，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損壞通常始于支座脫空，最終導(dǎo)致主梁發(fā)生滑移，而不是通過剛體的旋轉(zhuǎn)。然而，基于橋梁和車輛的三維立體模型對行車荷載下橋梁的動力響應(yīng)進行精確數(shù)值模擬，對曲線橋梁抗傾覆問題進行深入分析的研究卻較少，本文以廣西大藤峽某大跨徑曲線連續(xù)梁橋為對象，建立三維有限元橋梁模型及17自由度車輛動力模型，基于有限元法和達朗貝爾原理推導(dǎo)了車橋耦合振動方程，并基于模態(tài)疊加法以及Newmark- ?{β 數(shù)值積分方法編制高精度車橋耦合數(shù)值模擬FORTRAN程序，分析各因素對橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

1曲線梁橋車橋耦合振動分析

1.1車輛模型

選取常見的三軸整車建立三維動力模型，主要由1個車體，6個懸掛裝置，6個車輪及車體與懸掛裝置之間、懸掛裝置和車輪之間的連接彈簧和阻尼結(jié)構(gòu)組成。模型考慮了車體和懸掛裝置的各個振動自由度、車輪的質(zhì)量和運動，基于 D^′Alember 原理推導(dǎo)車輛振動方程。車輛與橋梁間的耦合作用通過車輪接地點的位移變形協(xié)調(diào)條件來實現(xiàn)，具體變量和參數(shù)及詳細的車橋耦合振動方程推導(dǎo)過程參照文獻[5]。見圖1。

1.2研究對象

1.2.1工程概況

以廣西省大藤峽水利樞紐大壩下游 1.9km 處的壩下交通橋其中三跨曲線連續(xù)梁橋為研究對象。

縱向布置為 3×40m ，曲率半徑為 60m ，主梁截面 為單箱三室箱型截面，采用C50混凝土，鋪裝 8cm 瀝 青混凝土，主梁寬度為 14.5m ，分別在各支座位置處 設(shè)置橫隔板，橫隔板縱向?qū)挾葹?1m ，箱梁頂板厚度為 0.26m ，底板厚度為 0.24m ，腹板厚度為 0.5m ，箱梁頂 板寬度為 14.5m ，底板寬度為 11m ，翼緣懸臂長1.5 m ，梁高 2.5m 。見圖2。

1.2.2橋梁有限元模型

利用有限元方法中的梁格法對橋梁建模，采用三維梁單元將整橋簡化636個節(jié)點和1290個單元，主梁和橋墩之間通過彈簧單元模擬橡膠支座連接。見圖3。

圖3橋梁有限元模型

2曲線梁橋抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)

根據(jù)JTG3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》，抗傾覆系數(shù)需滿足

式中： 為穩(wěn)定效應(yīng)； 為失穩(wěn)效應(yīng); k_qf 為抗傾覆系數(shù)。

式中： R_Gki 為永久作用下第 i 個橋墩處支座失效反力； R_Qki 為可變作用下第 i 個橋墩處支座失效反力; l_i 為第 i 個橋墩處支座中心距。

3曲線梁橋抗傾覆穩(wěn)定性分析

3.1車輛行駛速度影響

選取 30.40，50，70.90km/h 共5種車速進行分析。設(shè)定車輛行駛偏心距 e=-2m（e 為車輛中心與主梁中心線的距離，位于外側(cè)時取負值），橋面不平整度為B級，無載重。

車輛速度與橋梁支座反力之間并非線性關(guān)系，橋梁支座反力隨著速度的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢，當(dāng)車速達到 70km/h 時反力峰值最大。見圖3。

圖3不同車速跨中支座反力

隨著速度增加，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)并非呈線性變化。在車速達到 70km/h 時，橋梁的最小抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)最低，可以推測此速度下車輛與橋梁可能發(fā)生共振，從而降低其抗傾覆穩(wěn)定性。見表1。

表1不同車速抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)

3.2車輛偏心行駛影響

與直線橋不同，曲線橋因固有的曲率，在行車荷載下會受到偏心力影響，從而產(chǎn)生彎扭耦合的振動反應(yīng)，特別是在大曲率曲線橋上，這種影響更為明顯。分別設(shè)定車輛行駛偏心距為 4、2、-2、-4m 共4種工況，車速 30km/h ，路面粗糙度B級，無載重，對橋梁抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)的影響進行分析。

車輛行駛位置由內(nèi)側(cè)到外側(cè)變化時，跨中支座反力先減后增， e=2m 時反力最小， e=-2m 時反力明顯比e=4m 時大，表明越靠近橋梁中線行駛，引起的曲線梁橋支座反力越小，同時在內(nèi)側(cè)行駛時的反力比在外側(cè)時要小。見圖4。

圖4不同偏心距跨中支座反力

車輛由內(nèi)側(cè)行駛到外側(cè)過程中抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)逐漸減小，表明車輛在橋梁外側(cè)行駛時更容易造成曲線梁橋的傾覆事故。因此在分析車輛行駛對曲線梁橋的影響時，考慮車輛在橋面上的最不利行駛位置是非常重要的。見表2。

表2不同車輛偏心下橋梁抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)

3.3支座間距的影響

設(shè)置原始支座間距為 6m ，通過調(diào)整至 4，8，10m 的間距進行對比分析。車速 30km/h 、行駛偏心距-2m ，橋面不平整度為B級，無載重。

橋梁中跨支座反力隨支座間距增大不斷減小。因此，擴大支座間距是減輕曲線梁橋彎扭耦合效應(yīng)的一個有效方法。見圖5。

4結(jié)論

1曲線梁橋抗傾覆系數(shù)與車速有關(guān)，但并非與車速變化成線性關(guān)系，車輛與橋梁發(fā)生共振情況下對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響最大。

2）車輛行駛位置對抗傾覆系數(shù)有明顯影響，因此考慮車輛在橋面上的最不利行駛位置對曲線梁橋抗傾覆穩(wěn)定性非常重要。

3）隨著支座間距的增加，抗傾覆系數(shù)逐漸增大。因此，設(shè)計時在符合規(guī)范要求的前提下，應(yīng)盡可能設(shè)置較大的支座間距以提高曲線梁橋的抗傾覆能力。

圖5不同支座間距跨中支座反力

隨著支座間距的增加，曲線梁橋最小抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)也逐漸增大。因此設(shè)計時在符合規(guī)范要求的前提下，應(yīng)盡可能設(shè)置較大的支座間距以提高曲線梁橋的抗傾覆能力。見表3。

表3不同支座間距下橋梁抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)

參考文獻：

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