某墩梁固结独柱墩曲线匝道桥倾覆安全性评估_杨程.pdf

第 卷，第 期 年 月公路工程，：收稿日期 基金项目 国家自然科学基金项目（）作者简介 杨 程（），男，四川广元人，硕士研究生，研究方向：现代道桥监测技术。通信作者：贺志勇，：.。引文格式 杨 程，贺志勇，吕升林，等 某墩梁固结独柱墩曲线匝道桥倾覆安全性评估 公路工程，（）：，（）：某墩梁固结独柱墩曲线匝道桥倾覆安全性评估杨 程，贺志勇，吕升林，符锌砂（华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州）摘 要 目前对于墩梁固结独柱墩桥梁横向倾覆安全性评估的研究较少，验算加固等方面存在争议。以某建成年代较久远墩梁固结独柱墩曲线匝道桥为例，利用 有限元软件建立桥梁计算模型，考虑新旧公路桥梁规范，组合 种不同荷载工况进行抗倾覆验算。结果表明，匝道桥的两端内侧支座在不利工况作用下存在脱空风险；旧规范下匝道桥横向抗倾覆稳定系数不仅大于当时规定的安全限值.，也大于新规范规定的安全限值.；种工况下固结墩柱均满足弯压承载力要求；汽车荷载效应分项系数取.时，匝道桥的 墩先达到抗弯承载力限值，桥梁整体将失稳发生倾覆；内侧支座、墩顶最大位移均未超过位移容许值；现有抗倾覆系数计算公式仍有改进空间，建议对于墩梁固结桥梁，抗倾覆系数可在某些条件下非优先考虑；最后综合工程实际、经济性和合理性，提出增设一种高强度抗拉拔装置的加固方案，支座不再出现脱空，横向倾覆安全性得到提高。研究成果可为后续规范改进、墩梁固结独柱墩桥梁倾覆安全性验算加固提供参考借鉴。关键词 独柱墩；墩梁固结；匝道桥；加固；抗倾覆稳定系数中图分类号 文献标志码 文章编号 （），（，）.，.；.，.；.，；，；第 期杨 程，等：某墩梁固结独柱墩曲线匝道桥倾覆安全性评估 ，；，.；引言近年来独柱墩桥梁因车辆超载发生多起垮塌事故，如 年哈尔滨阳明滩大桥垮塌事故、年粤赣高速公路匝道桥垮塌事故、年江苏无锡上跨桥桥面侧翻事故等均造成巨额经济损失和人员伤亡。独柱墩桥梁安全性引起社会广泛关注，为吸取事故教训，国务院和交通运输部等管理部门发文要求立即组织开展老旧独柱墩桥梁安全隐患排查治理，进行抗倾覆验算评估，国内外学者也对独柱墩桥梁倾覆安全性进行了相应研究。等研究曲线梁桥在长期偏载作用下支座破坏的原因；张健等研究认为设置合理的预偏心能提高箱梁桥倾覆稳定性；薛爱新等研究了特殊荷载工况下的独柱墩曲线梁桥抗倾覆稳定性；贺志勇等研究表明设置支座预偏心能一定程度提高曲线桥梁抗倾覆稳定性；彭卫兵等研究认为横向转动到一定角度滑动是梁桥倾覆的主要破坏模式；刘四田通过比较直桥和弯桥的抗倾覆性能发现最新规范存在不足；等建议设置横向挡块或抗拉锚可有效提高连续梁桥的抗倾覆稳定性；黄国勇等研究认为偏心荷载作用使墩梁固结独柱墩桥梁有横向倾覆的安全隐患；等研究认为墩梁固结独柱墩高架桥横向稳定性较好。综上可见，已有研究多侧重于支座支撑独柱墩桥梁的抗倾覆验算评估和加固设计，而对墩梁固结独柱墩桥梁的研究较少，横向稳定性评估方面存在争议，可见研究墩梁固结独柱墩桥梁抗倾覆安全性具有一定的理论与实际工程意义。本文依托某墩梁固结独柱墩曲线匝道桥进行抗倾覆安全性评估，利用 有限元软件，研究匝道桥在不同工况下支座最小反力、倾覆系数、固结墩柱内力、墩顶位移等的变化，比较、分析新旧规范下桥梁横向倾覆安全性评估的差异，对墩梁固结墩独柱墩桥梁验算提出建议并最后采用增设抗拉拔装置的加固设计方案。依托工程.桥梁概况某曲线匝道桥曲率半径为 ，其跨径组合为 （），较窄桥面，宽.；行车方向右侧为桥梁曲线内侧，桥墩顺桥向编号，上部结构为钢筋混凝土箱梁，下部结构中墩均为直径 圆柱固结墩，墩高依次为.、.、.、.、.、.；两端桥台为盆式橡胶支座双支撑，间距.；桩基础为桩长 的直径 钻孔灌注桩，桥梁概貌如图 所示。（）上下部结构现状（）桥面现状图 匝道桥概貌 匝道桥主梁采用 混凝土，桥墩、桩基为 混凝土；每个固结墩里有 根均匀对称布置的直径为 、保护层厚度为 的纵向受力钢筋，以及直径 的螺旋箍筋，相关计算参数见表。公路工程 卷表 相关计算参数 轴心抗压强度标准值 轴心抗压强度设计值 弹性模量 抗拉强度标准值 抗拉强度设计值 弹性模量.有限元模型曲线梁桥存在弯扭耦合现象，实际工程中设置双支座抗扭，因此对曲线匝道桥主要采用一般支承类型中的固定约束模拟边界条件，参考柯亮亮对于连续刚构梁桥的结构内力研究、刘鹏对弯梁桥梁墩顶支撑方式的研究，并参考刘晓舟对曲线梁桥抗倾覆稳定性的研究成果，利用 软件建立该桥的有限元模型，模型箱梁截面对称，中上部偏心，用一般支承模拟两端双支座，再用弹性连接里的刚性连接将双支座与主梁相连，固结墩用两墩梁节点模拟刚臂连接主梁，不考虑桩土相互作用。划分梁单元时每隔 划分一个，应力集中处长度相应缩短，墩柱单元长度为.，桩单元长度为.左右，梁体模型离散为 个节点，个梁单元，如图 所示。（）整体模型（）支座连接图 有限元模型 抗倾覆验算.验算方法最新的 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（）规定梁桥抗倾覆验算满足下列要求：.在作用基本组合下，单向受压支座始终保持受压状态。.按作用标准值进行组合时，整体式截面简支梁与连续梁的作用效应应符合下式的要求。，（）式中：为横向抗倾覆稳定性系数，取.；，为使上部结构稳定的效应设计值；，为使上部结构失稳的效应设计值；稳定效应，；失稳效应，；为第 个桥墩处有效支座和失效支座的支座中心间距，在倾覆失稳极限状态各桥墩仅存在一个有效支座；为在永久作用下，第 个桥墩处有效支座的支反力，按全部支座有效的支承体系计算确定，按标准值组合取值；为在可变作用下，第 个桥墩处有效支座的支反力，按全部支座有效的支承体系计算确定，按同一典型汽车荷载布置取值。该匝道桥修建时间较早，其原设计荷载为现已废止的汽车 超 级，由于桥梁采用 版旧规范设计时，对独柱墩抗倾覆设计还不够重视，故应同时在 版规范的荷载要求下验算模型的抗倾覆系数，并对匝道桥的抗倾覆能力有无变化或是否满足现行 版规范进行对比研究分析。旧规范验算时，抗倾覆安全系数 按下式进行计算：（）（）（）其中，为倾覆轴与横向加载车道围成的面积；为各个支座到倾覆轴线的垂直距离；是冲击系数；是横向加载车道到倾覆轴线垂直距离的最大值；为汽车荷载换算后的车道均布荷载；为换算后的车道集中荷载。.新旧规范验算恒载取箱梁结构自重，混凝土容重取 ，现行规范规定的验算荷载公路 级车道均布荷载对于曲线梁桥，车道布置在曲线外侧，距防撞栏边缘横向 布置一个车轮间距.的车道荷载，布置简图见图；汽车超 级车辆荷载为 的标准车，参考黄进军的研究成果，用旧规范中采用的标准汽车荷载在主梁上加载，汽车荷载冲击力为汽车荷载乘以与桥梁结构和跨度有关的冲击系数，车道布置和移动荷载工况设定同汽车荷载为公路 级时相同，单车道系数采用.，旧规范须对倾覆轴线做出判断，参考姜爱国、周子杰第 期杨 程，等：某墩梁固结独柱墩曲线匝道桥倾覆安全性评估 等 的研究成果，如图 所示，匝道桥半径较小，倾覆轴线的选取有如图 的两种可能，一种仍为中墩连线，另一种倾覆轴线选取则为桥台外侧支座与紧邻的桥墩连线，其余全部支座也位于倾覆轴线的一侧，此时需要综合考虑最不利情况来判断选取，即采用使抗倾覆安全系数最小的方案。结合新旧规范、匝道桥工程实际与极端情况，考虑温度效应和不均匀沉降，组合 种计算工况如下：工况一：结构自重 二期恒载 温度荷载 支座沉降 公路 级车道荷载（标准组合）；工况二：结构自重 二期恒载 温度荷载 支座沉降 汽车超 级荷载（标准组合）；工况三：结构自重 二期恒载 温度荷载 支座沉降.公路 级车道荷载（作用基本组合）；工况四：结构自重 二期恒载 温度荷载 支座沉降 .汽车超 级荷载（作用基本组合）；工况五：结构自重 二期恒载 温度荷载 支座沉降.公路 级车道荷载（极端作用组合）；工况六：结构自重 二期恒载 温度荷载 支座沉降 .汽车超 级荷载（极端作用组合）。（）汽车荷载布置（单位：）（）倾覆轴（单位：）图 汽车荷载与倾覆轴布置简图 统计旧规范标准下匝道桥其它支座或固结墩顶到各倾覆轴线的距离（）列入表，其中到倾覆轴线 的距离为 ，倾覆轴线 的距离为 。表 匝道桥各支座或固结墩顶到倾覆轴线的距离 编号 种工况下固结墩与支座竖向最小反力的计算结果如图 （）所示（图中反力压为正，拉为负；支座编号由内侧向外侧编号，小号为内侧支座，大号为外侧支座）。匝道桥在新旧规范下验算支座脱空与抗倾覆系数大小对比图见图 （）。（）墩柱、支座的最小反力（）倾覆系数图 不同工况下抗倾覆验算 由图 （）可见，汽车荷载的增加使得各墩柱、支座的最小竖向反力数值减小；同样的移动荷载分项系数下，公路 级相比汽车超 级所得最小竖向反力数值更大；匝道桥 支座最小反力在 种工况下均为负值，支座最小反力在 公路工程 卷工况一、工况二、工况三作用下为正，工况四、工况五、工况六作用下为负，可知该匝道桥的两端内侧支座在不利工况作用下均存在脱空风险，而外侧支座较安全。由图 （）可见，同一验算标准、同一汽车荷载下，新旧规范横向抗倾覆系数均随着可变荷载系数的增大而减小；同一验算标准、同一汽车荷载分项系数下，旧规范下公路 级比汽车超 级所得倾覆系数更大，而新规范正好相反；同一工况下倾覆轴线 所计算得到的匝道桥抗倾覆系数更小，为最不利情况，因此以倾覆轴线 作为匝道桥的倾覆轴，依此计算得到的旧规范下匝道桥横向抗倾覆稳定系数均显著大于 规范所得倾覆系数，并且不仅大于当时对于桥梁倾覆安全规定的安全限值.，也大于新规范规定的安全限值.，这与依照 规范验算所得结果相矛盾。安全性评估用有限元软件计算不同工况加载下固结墩柱内力，相应结果见图。由图 可见，种工况下计算得到的匝道桥固结墩柱最大轴力、最大弯矩数值连线走势基本相同，汽车荷载效应分项系数取值变化对墩柱内力强度影响较大，同荷载系数下公路 级计算所得墩顶最大弯矩均大于汽车超 级；墩、墩承受的弯矩最小，、墩承受了最大的弯矩，墩顶截面所受弯矩值大于墩底截面，应为墩身强度校核的控制截面；固结墩彼此间的最大轴力相差不大，其中 墩、墩最大轴力较大，墩最小。沿周边均匀配置纵向钢筋的圆形截面钢筋混凝土偏心受压构件，其正截面受压承载力应满足下列要求：()()（）正截面抗弯承载力计算表达式如下：（）式中：为桥梁结构的重要性系数，按公路桥涵的设计安全等级，一级取用.；桥梁的抗震设计不（）墩身最大轴力（）墩顶最大弯矩（）墩底最大弯矩图 固结墩柱内力 考虑结构的重要性系数；为圆形截面面积；为全部纵向普通钢筋的截面面积；、分别为正截面抗压、抗弯承载力设计值；为圆形截面的半径；为纵向普通钢筋重心所在的圆周的半径；为轴向力对截面重心的偏心距；为对应于受压区钢筋混凝土截面面积的圆心角（）与 的比值；为纵向受拉普通钢筋截面面积与全部纵向普通钢筋截面面积的比值，当 大于.时，取为。固结墩柱各自弯压承载力计算结果见表。第 期杨 程，等：某墩梁固结独柱墩曲线匝道桥倾覆安全性评估 表 固结墩柱压弯承载力计算 编号轴向承载力 弯矩承载力 （）由表 可知，匝道桥的固结墩在 种工况下均满足弯压承载力要求，墩柱不会因强度不足而发生破坏。墩的弯矩承载力安全余量（最大弯矩距承载力限值所需的弯矩所占比值）相比其他固结墩最小，故对匝道桥 墩进行抗弯强度破坏研究。加载工况五即汽车荷载效应分项系数为.时，墩最大弯矩为.，令其他分项系数不变，自定义.倍公路 级车载作为验算荷载，计算出 墩最大弯矩为.，已不满足承载能力极限状态的要求，墩柱发生弯压破坏，主梁发生倾覆。采用九级分级加载，汽车荷载效应分项系 数 依 次 取.、.、.、.、.、.、.、.、.，研究 墩最大弯矩与汽车荷载分项系数取值的关系。墩在汽车荷载分项系数依次增大条件下对应最大弯矩的散点图如图 所示，最大弯矩在汽车荷载系数等比例增加时也近似成等比例增加，数值分布成直线趋势，对其进行线性拟合得方程 .，当 取值为 墩的抗弯承载力 时，计算得到 .，将 代入有限元模型中验算可得 墩在汽车荷载效应分项系数取.时，其最大弯矩为.，表明此线性方程有效。线性拟合方程在.前可作为 图 汽车荷载分项系数