多跨鋼箱連續(xù)梁橋支座抗傾覆效應分析

多跨鋼箱連續(xù)梁橋支座抗傾覆效應分析

近年來，已建成一座單立柱小半徑曲線橋，是一種常見的城市橋梁和橋梁。由于其簡單流暢的造型、建筑高度小、橋下能見度好、施工方便快捷、建設成本低等優(yōu)點，已獲得了很大的發(fā)展。但由于獨柱墩橋梁在橫橋向采用單支座支承,在車道偏載作用下,可能發(fā)生整體橫向失穩(wěn),近年來已發(fā)生多起傾覆事故,造成了重大的經(jīng)濟損失和惡劣的社會影響,事故調(diào)查結論多為車輛超載、超限所致。小半徑曲線鋼箱梁橋由于自重小,使上部結構穩(wěn)定的抗傾覆力矩較小,而使上部結構傾覆的汽車荷載傾覆力矩相對較大。箱梁橋在傾覆過程中,橋臺處支座容易脫空,這是傾覆過程的開始,此時橋梁結構體系發(fā)生變化。目前國內(nèi)已發(fā)生多起獨柱支承橋梁在汽車荷載作用下的傾覆事故,例如2011年2月21日浙江上虞立交橋匝道橋側(cè)翻事故,2012年8月24日哈爾濱市群力高架橋分離式立交橋傾覆事故。橋梁傾覆事故的頻繁發(fā)生應該引起橋梁工作者的深思,不僅要關注橋梁抗彎、抗剪承載力是否滿足規(guī)范要求,還要注重橋梁的橫向抗傾覆能力。該文以一座六跨小半徑曲線鋼箱梁獨柱墩匝道橋為例,對其抗傾覆能力進行驗算,評估其安全性,并針對驗算結果,提出相應的處治方案。1橋梁結構特點某立交橋G線匝道橋采用六跨鋼箱連續(xù)梁橋,其樁號為G13~G19。橋梁跨徑為24.4+25+50+50+40+32.912m。橋型平面圖及橫斷面圖如圖1所示。橋梁結構形式如下:上部結構為六跨鋼箱連續(xù)梁橋,單箱三室;下部結構為圓柱形高墩及鉆孔灌注樁基礎。部分橋跨位于半徑為R=85m的平曲線上,部分橋跨位于半徑R=2000m的豎曲線上,橋面縱坡為0.3%~3.5%,橋面橫坡為1%~2%,由鋼箱梁的頂板自傾而成。該橋的一個邊跨和一個次邊跨為變高度梁,其余各跨均為等高度梁,梁高變化范圍為0.95~1.5m,按二次拋物線變化,是一個典型的空間鋼結構曲線。2采用回歸原則和有限模型2.1傾覆穩(wěn)定性的立法規(guī)定橋梁上部結構傾覆不先于結構的延性破壞,與設計汽車荷載和實際運營的汽車荷載之間有密切的關聯(lián),確定橋梁傾覆的判斷原則,對驗算橋梁結構的傾覆效應、避免傾覆事故的再次發(fā)生、對已有橋梁的改造加固和新建橋梁的設計有著重要的意義。(1)JTGD60-2004《公路橋涵設計通用規(guī)范》中的3.5.8條和JTGD62-2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》中的9.7.4條規(guī)定以禁止支座脫空為原則進行傾覆穩(wěn)定性計算。(2)征求意見稿JTGD62-20XX《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》中的4.1.10條中規(guī)定采用整體式斷面的中小跨徑梁橋,要對上部結構進行抗傾覆驗算,以抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為標準進行傾覆穩(wěn)定性計算。在箱梁橋傾覆過程中,橋臺側(cè)支座容易脫空,這是傾覆過程的開始,同時結構受力體系發(fā)生變化,因此在汽車荷載作用下(考慮沖擊作用)不應出現(xiàn)支座脫空。該文G線匝道橋半徑小,跨多聯(lián)長,結構形式復雜,因此采用支座是否脫空為判斷原則來驗算上部結構的傾覆效應。2.2模型的建立考慮到該匝道橋為空間鋼結構曲線橋,結構形式復雜。為了對原橋跨結構進行準確的模擬分析,分別采用有限元軟件Midas/Civil和橋梁博士建立空間梁單元和空間梁格模型進行計算分析。上部結構恒載鋼材重度按78.5kN/m3計算,橋面防水混凝土層厚10cm,重度取25kN/m3,橋面瀝青混凝土層厚5cm,重度23kN/m3,護欄每側(cè)每延米重10kN/m。汽車荷載采用公路-Ⅰ級,考慮沖擊作用。3橋橋改造及不同地位組織分析該匝道橋橋臺處支承采用雙支座,橋墩處支承均采用單支座,經(jīng)檢測,橋墩支座存在剪切變形和偏移等病害現(xiàn)象,從而導致鋼箱梁移位。針對這種病害,現(xiàn)對該橋進行改造,更換G14~G18橋墩支座,并改為雙支座。改造前后支座分布情況見表1。由于該橋通過支座是否脫空來驗算上部結構的傾覆效應,因此支座反力的計算是必要的。小半徑曲線橋存在很大的扭矩,在橫橋向支座產(chǎn)生較大的上拔力,容易導致支座脫空,甚至導致曲梁傾覆。G線匝道橋空間線形復雜,半徑僅為85m,支座反力難以采用一般的曲梁計算理論得到,因此建立空間有限元模型,分別計算在恒載作用和活載作用下的支座反力,驗算該曲梁橋的傾覆效應。3.1匝道橋合成毛細效應該匝道橋的上部恒載主要有鋼箱梁自重、箱梁端配重混凝土、橋面鋪裝和防撞欄。其中前兩項為一期恒載,后兩項為二期恒載。采用空間有限元模型,計算獲得改造前后該匝道橋在恒載作用下的支座反力,見表2。由表2可知,該匝道橋在恒載作用下,支座反力有以下特點:(1)G14~G18改造前橋墩支座反力與改造后內(nèi)側(cè)和外側(cè)支座反力之和基本相同,相差很小。(2)外側(cè)支座反力不一定大于內(nèi)側(cè)支座反力,例如G14、G15和G17外側(cè)支座反力大于內(nèi)側(cè)支座反力,但G16和G18外側(cè)支座反力小于內(nèi)側(cè)支座反力,內(nèi)外側(cè)支座反力的大小與曲梁的線形有關。(3)改造前G13外側(cè)支座反力約為內(nèi)側(cè)支座反力的3倍,內(nèi)側(cè)支座容易脫空,而改造后G13外側(cè)支座反力與內(nèi)側(cè)支座反力相差不大,增強了主梁的抗傾覆能力。3.2車道活載作用下的全支抗傾覆穩(wěn)定性該匝道橋行車道寬7m,單向雙車道,根據(jù)JTGD60-2004《公路橋涵設計通用規(guī)范》,汽車活載采用公路-Ⅰ級車道荷載(均布荷載為10.5kN/m,集中荷載為360kN),將車道荷載布置在曲線梁的兩側(cè),分別考慮在車道活載作用下的4種不利工況:1)單車道內(nèi)側(cè)偏載;2)雙車道內(nèi)側(cè)偏載;3)單車道外側(cè)偏載;4)雙車道外側(cè)偏載。各工況加載示意圖見圖2。該匝道橋改造前后在車道活載作用下4種不利工況的支座反力計算結果見表3。由表3可以得到:(1)改造前G13和G19橋臺處支座負反力大于改造后的負反力,說明上部鋼箱梁采用單支座較采用雙支座抗傾覆穩(wěn)定性差,容易傾覆。(2)改造前在工況2和工況3的情況下,支座負反力最大,改造后在工況2的情況下,支座負反力最大,說明這3種工況對橋梁抗傾覆穩(wěn)定性不利,并且工況2最不利。3.3傾覆效應的計算上部結構在恒載作用下的支座反力為壓力,有利于抗傾覆;而在車道偏載作用的支座反力為拉力(上拔力),不利于抗傾覆。在恒載和車道偏載作用下,通過分析該匝道橋的反力是否出現(xiàn)負反力(拉力)來研究其傾覆效應。將恒載和以上4種不利車道偏載工況進行組合,得到以下組合:組合Ⅰ:恒載+工況1;組合Ⅱ:恒載+工況2;組合Ⅲ:恒載+工況3;組合Ⅳ:恒載+工況4。在組合Ⅰ~Ⅳ作用下,該匝道橋的支座反力計算結果見表4。由表4可知,在組合Ⅰ~Ⅳ作用下,該匝道橋改造前橋臺支座均出現(xiàn)負反力,說明在車道偏載作用下,支座出現(xiàn)了脫空現(xiàn)象,此時上部鋼箱梁結構體系發(fā)生了變化,非常有可能發(fā)生傾覆事故。原結構體系與新結構體系簡圖如圖3所示,由于橋臺處支座脫空,兩邊跨形成懸臂結構。而改造后,該匝道橋橋臺支座僅在組合Ⅱ和Ⅲ作用下出現(xiàn)負反力,在組合Ⅲ作用下負反力非常小,改造后只需在橋臺處設置抗拉支座即可。4合建橋加固方案由于該匝道橋在車道偏載作用下存在傾覆的安全隱患,為了確保結構安全,同時施工簡便可行,應采取有效的改造措施消除上部鋼箱梁發(fā)生傾覆事故。更換G13和G19橋臺處支座,改成抗拉支座,將G14~G18橋墩墩頂支承更改為雙支座支承。改造方案有如下兩種:方案1:在墩柱上鉆孔,安裝鋼承托,相當于增加一小型蓋梁,在上面安裝支座,如圖4所示。方案2:在墩柱上鉆孔、植筋,增大墩柱的尺寸,使墩頂尺寸滿足放置雙支座的要求,在其上安裝支座,如圖5所示。對比方案1和方案2,方案2由于加寬了墩柱,恒載增加較多,同時也限制了橋下凈空,影響正常通視,而方案1簡單可行,不存在以上弊病,因此采取方案1對該橋進行加固改造。在G14~G18墩柱上安裝鋼承托,在鋼承托上安裝板式橡膠抗傾覆支座,為了盡可能地不改變原橋結構體系,拆除原墩頂支座。橋墩和鋼承托通過在橋墩頂部鉆孔,植入高強螺栓連接。5雙支柱段成橋后,下受力及抗傾覆效應分析橋梁傾覆屬于瞬時破壞,與結構的初始破壞和損傷程度不成比例,防范困難,經(jīng)濟損失大,社會影響惡劣,應引起橋梁工作者的注意。該文通過對小半徑曲線鋼箱梁獨柱墩匝道橋抗傾覆分析,得出以下結論:(1)雙支座支承的獨柱墩曲線匝道橋的抗傾覆效應明顯好于單支座支承。(2)在恒載作用下,雙支座支承的曲線橋外側(cè)支座反力不一定大于內(nèi)側(cè)支座反力