獨柱墩連續(xù)箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定性驗算分析 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 摘要： 在偏心偶然超載作用下，獨柱墩橋梁可能發(fā)生整體橫向失穩(wěn)。通過對獨柱墩連續(xù)箱梁橋的抗傾覆能力分析，并以云南省武定至昆明高速公路共 9 座獨柱墩箱梁橋的抗傾覆驗算為工程背景，運用有限元分析程序 MIDAS/ CIVIL2006，對其中橫向受力最不利的箱梁進行了整體抗傾覆驗算，并有針對性的提出應對措施，以避免發(fā)生支座脫空現(xiàn)象導致側傾，提高橋梁的抗傾覆能力。 Abstract： Under the action of the eccentric accidental overloading， the overall lateral instability of single column pier bridge may occur. Through to the analysis of the ability against overturning on continuous box girder bridge， and WuDing to Kunming highway in Yunnan Province a total of 9 single column pier box girder bridges resistive overturning checking calculation for the engineering background， by using the finite element analysis program MIDAS/CIVIL2006， to check the overall stability against overturning of the box girder under the worst lateral force， and put forward some corresponding countermeasures， to avoid the phenomenon of bearing separation and enhance the ability of bridge stability against overturning. 關鍵詞： 獨柱墩；連續(xù)箱梁橋；抗傾覆穩(wěn)定性；應對措施 Key words： single column pier； continuous box girder bridge； stability against overturning；countermeasures U44 A 1006-4311（ 2013） 09-0045-03 0 引言 現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋整體性能好、抗扭剛度大，下部結構若配置獨柱式橋墩，可使橋梁視覺通透、線條流暢、外形美觀、節(jié)約橋梁占地并能節(jié)省工程造價，因此獨柱式連續(xù)箱梁橋在互通式立交的匝道橋中被廣泛采用。目前我國載重車輛普遍 存在超載現(xiàn)象，個別車輛超載甚至達到了 200% 300%，導致多數(shù)橋梁處于超負荷工作狀態(tài)。在偏心偶然超載作用下，已經(jīng)導致國內發(fā)生多起獨柱墩箱梁橋傾覆倒塌事故，造成了巨大的經(jīng)濟損失和不良的社會影響，現(xiàn)有獨柱墩連續(xù)箱梁橋的橫向抗傾覆穩(wěn)定性問題日益突出。 我國現(xiàn)行公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范（ JTG D62-2004）對上部箱梁抗彎強度、抗剪強度以及抗裂性能等結構自身強度方面有明確規(guī)定和要求，但對橋梁的橫向傾覆穩(wěn)定性要求方面沒有加以闡述。在橋梁設計中，從業(yè)人員往往重視了橋梁縱向的受力分析與 計算，卻忽略了對橋梁在偏心超載情況下的的橫向整體穩(wěn)定性分析。因此，獨柱墩連續(xù)箱梁橋橫向受力特點的研究就成了當前一個重要課題。 1 連續(xù)箱梁橋抗傾覆驗算分析 在曲線連續(xù)箱梁橋中，由于梁體內、外側恒載差以及偏心偶然超載的作用下產生較大的扭矩，通常會使箱梁外側超載、內側卸載，當扭矩不斷增大，達到并超過了整個結構對于梁體外側翻轉軸所能承受的抵抗翻轉力矩時，箱梁內側支座將產生負反力，這時如果梁體自身不能抵消此負反力，就會出現(xiàn)梁體與支座的脫離，即 “ 支座脫空 ” 現(xiàn)象，梁體曲線內側支座就可能因為壓力重分配 而壓壞從而喪失承載能力，整體結構就可能會發(fā)生側翻并傾覆。 可以用抗傾覆度作為評價連續(xù)箱梁橋抗傾覆能力的指標 1。 抗傾覆度 K= 對于抗傾覆扭轉力矩，主要有箱梁翻轉軸扭轉方向異側的結構重力；對于傾覆扭轉力矩，則主要有箱梁翻轉軸扭轉方向同側的結構重力和偏載的活載力矩。 本文通過對武昆高速共 9 座獨柱墩中橫向受力最不利的連續(xù)箱梁進行了抗傾覆計算分析，對影響獨柱墩連續(xù)箱梁橋橫向穩(wěn)定的因素進行了分析和總結，從而為獨柱墩連續(xù)箱梁橋的設計提出一些建議和參考。 1.1 工 程概況 本文計算的云南省武昆高速項目包括富民立交、解家營立交、烏龜山立交共有 9 座獨柱墩連續(xù)箱梁橋。設計時每一聯(lián)除簡支處采用雙柱墩（雙支座）外，連續(xù)處均設計為獨柱墩（獨支座）。連續(xù)墩處橫橋向考慮了支座中心線（墩中線）偏離箱梁中心線曲線外側一定的偏心距。 在偏心偶然超載作用下，獨柱墩橋梁可能發(fā)生整體橫向失穩(wěn)?，F(xiàn)選取偏載作用下抗傾覆最不利的烏龜山立交匝FK0+300 橋第五聯(lián)箱梁（圓曲線半徑 R=163.491 米， 420 米一聯(lián)）進行橫向整體抗傾覆驗算，來具體分析抗傾覆能力的影響因素。 該類梁體下 部聯(lián)端簡支處均為蓋梁雙柱墩，如圖 1，蓋梁上的非抗扭盆式支座均與下方墩柱直接對應，故支座豎向作用不會對蓋梁造成直接破壞。聯(lián)內連續(xù)處均為獨柱通過非抗扭盆式支座直接支承梁體橫梁，如圖 2。超重車輛對下部的影響主要是軸力的增加，故本次抗傾覆穩(wěn)定驗算不考慮下部的問題。 1.2 計算依據(jù) 公路橋涵設計通用規(guī)范 JTG D60-2004。 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范JTG D62-2004。 1.3 計算參數(shù) 1.3.1 材料參數(shù)。主梁采用 C40 混凝土，鋼筋混凝土容重取為 26kN/m3， C40 混凝土彈性模量為 3.25104Mpa ，抗壓設計強度 18.4Mpa，混凝土材料的收縮徐變特性全部按照規(guī)范規(guī)定取值。 1.3.2 計算荷載 結構自重。自重由程序自行計算，考慮了橫梁處的實心段和截面變化，鋼筋混凝土容重計為： 26kN/m3。 二期恒載。鋼筋混凝土容重計為： 26kN/m3，瀝青混凝土容重按 24kN/m3 計算，橋面鋪裝（ 8cm 混凝土、 10cm 瀝青）、防撞護墻以均布力的形式施加于主梁單元上。 汽車活載。首先按現(xiàn)行規(guī)范公路 I 級標準車道荷載進行復核性驗算，其次選取特殊荷載進行非常規(guī)傾覆安全性驗算。車道荷載在偏載滿布作用下，按單車道最不利偏載布置。 汽車荷載沖擊系數(shù)。沖擊系數(shù)按公路橋涵設計通用規(guī)范（ JTG D60-2004）規(guī)定的方法計算，取標準跨徑20m，計算如下： f=9.4 （ Hz） f=16.4 （ Hz） 故正彎矩沖擊系數(shù) 1=0.381 負彎矩沖擊系數(shù) 2=0.45 不均勻沉降。計算時考慮 5mm 的不均勻沉降量。 離心力。根據(jù)公路橋涵設計通用規(guī) 范 4.3.3 條計算。經(jīng)計算烏龜山立交匝 FK0+300 橋第五聯(lián)的離心力產生的向外側的每延米傾覆力矩為 5.23KN.m/m。 荷載組合。超載車輛荷載為偶然荷載，驗算按公路橋涵設計通用規(guī)范 4.1.6.2 條規(guī)定進行荷載組合，即取上述 項荷載的標準值進行組合。對混凝土收縮徐變、溫度效應和橫向風荷載等均不考慮。由于所驗算對象為高速公路上重要互通區(qū)的橋梁，構件承載能力極限狀態(tài)計算時結構重要性系數(shù)取 1.1。 1.4 有限元模型 烏龜山立交匝 F 第五聯(lián)采用 420 米現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，箱梁頂板寬 10.5 米，底板寬 6 米。下部結構簡支處采用雙柱墩，連續(xù)處采用獨柱墩。本聯(lián) 15 17號連續(xù)墩處橫橋向考慮了支座中心線（墩中線）偏離箱梁中心線曲線外側 13cm 的偏心距。 車道荷載在偏載滿布作用下，按單車道最不利偏載布置，荷載橫向布置如圖 3 所示。 采用有限元分析軟件 MIDAS Civil2006 進行計算，全橋共 126 個節(jié)點， 111 個單元。按曲線梁建模，見圖 4。 1.5 計算結果 獨柱墩橋梁在偏心超載作用下主要存在以下幾點安全隱患： 獨柱墩梁體尤其曲線橋梁，在偏載作用及梁體內外側 恒載偏心作用下，多支承點位置支座可能存在脫空，橋梁結構存在整體失穩(wěn)、傾覆的可能性。 在偏心超載作用下，梁體承受較大的扭矩作用，且跨徑越長，獨柱墩數(shù)量越多，扭矩累積作用越大，一但梁體抗扭能力不足，橋梁將出現(xiàn)剪扭破壞。 獨柱墩本身為偏壓構件，如果墩高較大或者墩身過細，在較大的偏載作用下，立柱將存在偏壓破壞的可能性。由于本文主要關注上部箱梁的整體傾覆穩(wěn)定，故不再討論這種情況。 本次計算主要分析以下兩方面： 1.5.1 箱梁在偏載作用下的整體剛性傾覆驗算 獨柱墩曲線橋梁， 在車輛活載、離心力等偏載作用效應下出現(xiàn)的支座脫空現(xiàn)象，即橋梁（簡支）墩臺處的雙支座出現(xiàn)負的支反力時，獨柱墩橋梁上部結構就存在傾覆的危險。本文假定在偏心超載發(fā)生橫向整體側傾前，梁體不會先發(fā)生彎扭破壞。 在公路 I 級標準車道荷載及特殊荷載荷載作用下，標準值組合時內側支座的最小支反力計算結果見表 1。 由表 1 數(shù)據(jù)可知，在現(xiàn)行公路 I 級車道荷載下，該橋簡支墩處及橋臺處雙支座位置內側支座不會出現(xiàn)負反力，即支座不會出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，因而不會發(fā)生上部箱梁傾覆危險。 考慮超載情況，分級增加活載效應（ 每級增加標準車道荷載的 0.2 倍），當活載效應增加至標準車道荷載的 1.8倍時， 14 號橋墩處內側支座出現(xiàn)負反力，橋臺處支反力為0，將出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象，該橋在此荷載等級作用下，將存在傾覆的危險。 1.5.2 持久狀況下橋梁抗扭承載力計算 由于獨柱墩單支座結構不能承受梁體縱向扭矩，其作用全部由聯(lián)端簡支處的雙支座產生反扭矩對抗，故聯(lián)端靠近支座處的梁體承受縱向扭矩是最大的。 根據(jù)公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范（ JTG D62-2004）第 5.5.4 條規(guī)定計算截面的抗扭承載能力 2。在 標準車道荷載作用下近聯(lián)端附近邊跨梁體截面扭矩設計值 rTd 最大為 4754KN m，截面抗力為 6578KN m，梁體抗扭承載力滿足規(guī)范要求。在 1.8 倍標準車道荷載作用下近聯(lián)端附近邊跨梁體截面扭矩設計值 rTd 最大為 6324KN m，截面抗力為 6578KN m，梁體抗扭承載力滿足規(guī)范要求。故該橋上部結構抗扭承載能力滿足規(guī)范要求，結構抗扭安全儲備較高，且可得知箱梁產生扭轉破壞之前會先發(fā)生傾覆破壞。由于箱梁上部結構的抗扭承載能力一般均較高，因而很少出現(xiàn)由于扭轉作用而造成破壞。 當一聯(lián)內孔數(shù)減少、聯(lián)長縮短時，由 于其所能排布的偏載車輛也較少，故而對聯(lián)端產生的扭矩也較小，所以獨墩單支座連續(xù)梁結構出現(xiàn)超載扭斷破壞的可能性是隨著其一聯(lián)的長度增加而增加的。曲線梁由于彎（剪）扭矩耦合效應的作用，相同孔數(shù)的一聯(lián)的扭矩內力，曲線梁將較直線梁增大不少。 2 結論與建議 由于連續(xù)處獨柱墩設置了合理的橫向偏心距，在現(xiàn)行公路 I 級車道荷載下的最不利偏載作用下，不會發(fā)生橋梁橫向失穩(wěn)，抗傾覆驗算滿足規(guī)范要求?？紤]超載情況，當活載效應增加至標準車道荷載的 1.8 倍時，將出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象，該橋在此荷載等級作用下，將存在傾覆的危 險。 獨柱墩連續(xù)箱梁橋在我國有著非常廣泛的應用，但目前正在服役公路橋梁在偏心偶然超載時存在傾覆危險的橋梁不在少數(shù)。為了避免發(fā)生支座脫空現(xiàn)象導致側傾，提高橋梁的抗傾覆能力，筆者建議： 從前述結構分析上看，獨柱墩橋梁滿足現(xiàn)行公路橋梁設計規(guī)范中的車道荷載的抗傾覆性能要求，但在超載、重車的作用下則會出現(xiàn)傾覆，隨著交通量的增長和超載車輛的增多，給正在運營的獨柱墩橋梁的安全性帶來極大的隱患，因此應該加強正在運營獨柱墩橋梁的檢測及動態(tài)觀察，制訂有效的養(yǎng)護措施，確保其能夠安全運行。 鑒于獨 柱墩連續(xù)箱梁橋存在安全隱患，因此設計中在外部條件允許的情況下連續(xù)處橋墩應盡可能避免采用獨柱單支座的結構形式，而采用雙柱雙支座的形式。若場地條件受限而必須采用獨柱墩時，則應考慮增大墩身截面，并采用獨墩雙支座形式（如花瓶墩），以改善梁體的抗傾覆能力。 面對超載車輛存在的現(xiàn)實性和緊迫性，針對連續(xù)箱梁橋連續(xù)處獨墩單支座抗扭能力最為薄弱和簡支處箱梁曲線內外側支座受力不均的情形，現(xiàn)有服役獨柱墩橋梁可進行必要的改造加固，增強梁體整體應對不利傾覆荷載的能力。 在橋梁通車運營期間，有關路政部門應切實加 強對橋梁使用的管理。須嚴格杜絕超重車輛上橋行駛，一旦發(fā)現(xiàn)應及時堵停卸貨或由有資質的單位做特載車輛單獨驗算、制定專門的通行方案，切不可僥幸盲目上橋。 參考文獻： 1梁峰 .三跨獨柱連續(xù)梁橋抗傾覆能力研究 J.公路， 2009.10（ 10）， 40-43. 2JTG D62-2004 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范 S.2004， 43. 3武宏曉 .連續(xù)獨柱墩橋梁抗傾覆安全評價及加固設計方案 J.城市道橋與防洪， 2010，（ 04） . 閱讀相關文檔 :缸體鑄件材料縮松缺陷的解決及硬度的改善 液壓系統(tǒng)故障診斷技術 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