獨柱墩連續箱梁橋抗傾覆安全度分析

鋼筋混凝土和預制混凝土連續箱梁是目前廣泛應用的橋梁類型。它的主要特點是抗彎性強。適用于小型半徑曲線上的城市橋梁和相互連接的道路橋。它外形美觀，線條流暢，視覺效果良好。如配置獨柱墩作為下部結構,更加縮小了橋梁所占用的空間,在很多互通立交跨線橋的空間位置受到限制的情況下,往往成了唯一的橋型選擇。但是,隨著獨柱連續箱梁橋應用的推廣,許多過去未曾預料到的問題逐漸顯現出來,其中最引人注目的要屬橋梁整體傾覆的問題。無論是施工還是在使用中,各地均出現過獨柱墩連續箱梁橋側翻甚至傾覆的重大事故,造成不小的經濟損失和極為不良的社會影響。由于在這些橋梁設計中,往往重視了橋梁縱向的受力計算和分析,卻忽略了對橋梁的橫向受力特點的分析,因此,研究連續箱梁配獨柱墩橋型的橫向受力特點就成了當前一個重要課題。1橫向抗傾覆能力安全度指標的單因素分析和簡化我們從最簡單的3跨獨柱墩連續梁來分析,并列舉以下這個例子,來具體分析抗傾覆能力的影響因素。某3跨獨柱墩連續梁見圖1所示。橋梁跨徑為3×20m,橋寬12m,設計荷載為公路-I級。中墩采用獨柱墩,設單支座,橋臺處則采用雙支座,橋臺支座間距為5m,現在需要解決的問題是,在圖2所示的極端偏載的情況下,橋梁的抗傾覆安全度怎樣,和哪些因素相關,怎樣計算和評價這一安全度指標。橋梁在一個平面內,由若干個支座支承,要發生側翻或傾覆,總是存在一個翻轉軸,在外力的變化下,這個翻轉軸的一個方向翻轉的力矩不斷增大,達到并超過了整個結構對于這個翻轉軸所能承受的抵抗翻轉力矩,整體結構就會發生翻轉并傾覆。如圖2中,兩橋臺同側支座的連線就構成一個翻轉軸,當該側的偏載過大,超過箱梁自重所能承受的抵抗力矩后,箱梁整體將向偏載一側翻轉。對于直線橋來說,通過力學及幾何的關系,我們不難發現對于同一荷載標準,橋梁橫向抗傾覆能力主要取決于橋寬B和支座間距C。B越大,C越小,橋梁更容易傾覆;反之則更安全。通過后文的分析,我們發現另外的影響因素則還有橋長L,而且對于曲率不同的橋梁,其影響因素和抗傾覆特性也有很大不同。為了分析橋梁橫向抗傾覆能力和以上幾個因素的關系,我們先做出以下假設,以簡化問題:(1)橋梁整體簡化為一個平面結構;(2)橋梁的重量在整個橋面范圍內均勻分布;(3)橋梁縱橫向強度、剛度滿足要求,即不會發生除橫向傾覆失穩以外的其他破壞形式;(4)計算受力時,不考慮橋梁變形對受力的影響。2計算評估指標的公式的改進2.1結構重力的確定可以以抗傾覆度作為評價連續梁橋抗傾覆能力的指標。抗傾覆度K=抗傾覆作用相對扭轉軸的合力矩傾覆作用相對扭轉軸的合力矩抗傾覆度Κ=抗傾覆作用相對扭轉軸的合力矩傾覆作用相對扭轉軸的合力矩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。2.2橋橋的結構及特征對于翻轉軸的確定,我們發現應根據如圖3所示的橋面的曲率狀態區別對待。因此,對于橋梁平面,可分為以下3種情況:(1)圖3(1)所示的直線橋,橋軸線為直線,翻轉軸為橋臺同側支座的連線;(2)圖3(2)所示的微彎曲線橋,橋軸線為大半徑曲線,其特征是其翻轉軸不穿過橋梁的外邊緣線,介于圖3(1)和圖3(3)之間的情況,都屬于微彎橋;(3)圖3(3)所示的大彎曲線橋,橋軸線為小半徑曲線,其特征是翻轉軸穿過橋梁的外邊緣線,曲率大于圖3(3)的屬于大彎橋。2.3計算過程2.3.1質量要求直線橋受力特點:翻轉軸為兩橋臺一側支座的連線。K=S2pB+C4S1pB?C4+(qkL+3Pk)(B?C2?a)(1)Κ=S2pB+C4S1pB-C4+(qkL+3Ρk)(B-C2-a)(1)其中,S1=B?C2LS1=B-C2L;S2=B+C2LS2=B+C2L式中:K為抗傾覆度;S1為翻轉軸扭轉方向異側的橋面面積(m2);S2為翻轉軸扭轉方向同側的橋面面積(m2);B為橋寬(m);C為橋臺支座間距(m);L為橋梁全長(m);p為上部構造單位面積重量(kN/m2),近似取p=26×0.4=10.4;a為橫向最不利布載時距離外邊緣距離(m),對于一般橋梁的公路-I級荷載,取a=1+1.8/2=1.9;Pk為集中荷載標準值(kN),根據跨徑不同按規范選取;qk為車道荷載標準值(kN/m),公路-I級取qk=10.5。代入得:K=(B+C)2(B?C)2+(B?C?3.8)(4+1.2PkL)(2)Κ=(B+C)2(B-C)2+(B-C-3.8)(4+1.2ΡkL)(2)取上文中3×20m橋梁為例,B=12m,C=5m,則Pk=240kN,L=60m,代入得:K=3.70>1,該橋安全。2.3.2抗傾覆度的計算微彎橋的受力特點是,翻轉軸為兩橋臺一側支座連線或兩橋墩支座連線的兩者中靠外側者,不難發現,當兩橋臺外側支座和兩橋墩支座在同一直線上時(如圖3(2))為最不利情況,因為這時翻轉軸兩側的橋面積比最小。計算中可用這種情況的計算抗傾覆度代表此類橋的抗傾覆度。K=S2pB4S1pB4+(qkL+3Pk)(B2?a)(3)Κ=S2pB4S1pB4+(qkL+3Ρk)(B2-a)(3)式中,S1=3B?C6LS1=3B-C6L;S2=3B+C6LS2=3B+C6L;其他參數意義見式(1)。代入得:K=(B+C/3)B(B?C/3)B+(B?3.8)(4+1.2PkL)(4)Κ=(B+C/3)B(B-C/3)B+(B-3.8)(4+1.2ΡkL)(4)還是取上文3×20m橋梁為例,B=12m,C=5m,則Pk=240kN,L=60m,代入得:K=0.84<1,該橋不安全,在極端偏載情況下,會發生傾覆。2.3橋橋安全見表2大彎曲線橋的受力特點是,翻轉軸兩側的橋面積比已經相當大,兩邊跨的大部分橋面都處于抵抗傾覆扭矩一側,因而,這種橋型相對安全。K=S2pB4S1pB4+(qk2L3+2Pk)(B2?a)(5)Κ=S2pB4S1pB4+(qk2L3+2Ρk)(B2-a)(5)其中,S1=B3LS1=B3L;S2=2B3LS2=2B3L;其他參數意義見式(1)。代入得:K=4B22B2+(2B?7.6)(4+1.2PkL)(6)Κ=4B22B2+(2B-7.6)(4+1.2ΡkL)(6)還是取上文3×20m橋梁為例,B=12m,C=5m,則Pk=240kN,L=60m,代入得:K=1.33>1,該橋安全。由此可見,對于大彎度彎梁橋,C值的大小與抗傾覆能力無關。3最小c值的定義對于直線橋和微彎橋,C值的大小對于抗傾覆度至關重要。因此很多時候,我們定好了B值,需要驗算C值的大小是否能滿足抗傾覆度的要求。可以根據情況將式(2)、式(4)式中設定K=1,計算出相應的C值,即為最小C值。得出下列求最小C值的計算式。直線橋:C=(B?3.8)(4+1.2PkL)4B+4+1.2PkL(7)C=(B-3.8)(4+1.2ΡkL)4B+4+1.2ΡkL(7)實際上,4B>>4+1.2PkL4B>>4+1.2ΡkL,所以式(7)可偏安全地簡化為:C=(B?3.8)(4+1.2PkL)4B(7′)C=(B-3.8)(4+1.2ΡkL)4B(7′)微彎橋:C=3(B?3.8)(4+1.2PkL)2B(8)C=3(B-3.8)(4+1.2ΡkL)2B(8)可見,微彎橋的最小C值,需要比直線橋的大6倍。對于上例,直線橋C最小值為1.5m,微彎橋C最小值為9m。4柱墩橋橫向穩定性設計針對以上的分析與計算,我們不難總結出抗傾覆度和最小C值的計算公式見表1,12m寬的3×20m橋抗傾覆度和最小C值見表2。由以上分析可看出,對于微彎獨柱墩橋的橋臺支座間距,一定要保持比計算最小C值大,而這個C值一般較難保證,12m寬的橋,C值要求不小于9m,這