多跨钢箱连续梁桥支座抗倾覆效应分析

多跨钢箱连续梁桥支座抗倾覆效应分析

近年来，已建成一座单立柱小半径曲线桥，是一种常见的城市桥梁和桥梁。由于其简单流畅的造型、建筑高度小、桥下能见度好、施工方便快捷、建设成本低等优点，已获得了很大的发展。但由于独柱墩桥梁在横桥向采用单支座支承,在车道偏载作用下,可能发生整体横向失稳,近年来已发生多起倾覆事故,造成了重大的经济损失和恶劣的社会影响,事故调查结论多为车辆超载、超限所致。小半径曲线钢箱梁桥由于自重小,使上部结构稳定的抗倾覆力矩较小,而使上部结构倾覆的汽车荷载倾覆力矩相对较大。箱梁桥在倾覆过程中,桥台处支座容易脱空,这是倾覆过程的开始,此时桥梁结构体系发生变化。目前国内已发生多起独柱支承桥梁在汽车荷载作用下的倾覆事故,例如2011年2月21日浙江上虞立交桥匝道桥侧翻事故,2012年8月24日哈尔滨市群力高架桥分离式立交桥倾覆事故。桥梁倾覆事故的频繁发生应该引起桥梁工作者的深思,不仅要关注桥梁抗弯、抗剪承载力是否满足规范要求,还要注重桥梁的横向抗倾覆能力。该文以一座六跨小半径曲线钢箱梁独柱墩匝道桥为例,对其抗倾覆能力进行验算,评估其安全性,并针对验算结果,提出相应的处治方案。1桥梁结构特点某立交桥G线匝道桥采用六跨钢箱连续梁桥,其桩号为G13~G19。桥梁跨径为24.4+25+50+50+40+32.912m。桥型平面图及横断面图如图1所示。桥梁结构形式如下:上部结构为六跨钢箱连续梁桥,单箱三室;下部结构为圆柱形高墩及钻孔灌注桩基础。部分桥跨位于半径为R=85m的平曲线上,部分桥跨位于半径R=2000m的竖曲线上,桥面纵坡为0.3%~3.5%,桥面横坡为1%~2%,由钢箱梁的顶板自倾而成。该桥的一个边跨和一个次边跨为变高度梁,其余各跨均为等高度梁,梁高变化范围为0.95~1.5m,按二次抛物线变化,是一个典型的空间钢结构曲线。2采用回归原则和有限模型2.1倾覆稳定性的立法规定桥梁上部结构倾覆不先于结构的延性破坏,与设计汽车荷载和实际运营的汽车荷载之间有密切的关联,确定桥梁倾覆的判断原则,对验算桥梁结构的倾覆效应、避免倾覆事故的再次发生、对已有桥梁的改造加固和新建桥梁的设计有着重要的意义。(1)JTGD60-2004《公路桥涵设计通用规范》中的3.5.8条和JTGD62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中的9.7.4条规定以禁止支座脱空为原则进行倾覆稳定性计算。(2)征求意见稿JTGD62-20XX《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中的4.1.10条中规定采用整体式断面的中小跨径梁桥,要对上部结构进行抗倾覆验算,以抗倾覆稳定系数为标准进行倾覆稳定性计算。在箱梁桥倾覆过程中,桥台侧支座容易脱空,这是倾覆过程的开始,同时结构受力体系发生变化,因此在汽车荷载作用下(考虑冲击作用)不应出现支座脱空。该文G线匝道桥半径小,跨多联长,结构形式复杂,因此采用支座是否脱空为判断原则来验算上部结构的倾覆效应。2.2模型的建立考虑到该匝道桥为空间钢结构曲线桥,结构形式复杂。为了对原桥跨结构进行准确的模拟分析,分别采用有限元软件Midas/Civil和桥梁博士建立空间梁单元和空间梁格模型进行计算分析。上部结构恒载钢材重度按78.5kN/m3计算,桥面防水混凝土层厚10cm,重度取25kN/m3,桥面沥青混凝土层厚5cm,重度23kN/m3,护栏每侧每延米重10kN/m。汽车荷载采用公路-Ⅰ级,考虑冲击作用。3桥桥改造及不同地位组织分析该匝道桥桥台处支承采用双支座,桥墩处支承均采用单支座,经检测,桥墩支座存在剪切变形和偏移等病害现象,从而导致钢箱梁移位。针对这种病害,现对该桥进行改造,更换G14~G18桥墩支座,并改为双支座。改造前后支座分布情况见表1。由于该桥通过支座是否脱空来验算上部结构的倾覆效应,因此支座反力的计算是必要的。小半径曲线桥存在很大的扭矩,在横桥向支座产生较大的上拔力,容易导致支座脱空,甚至导致曲梁倾覆。G线匝道桥空间线形复杂,半径仅为85m,支座反力难以采用一般的曲梁计算理论得到,因此建立空间有限元模型,分别计算在恒载作用和活载作用下的支座反力,验算该曲梁桥的倾覆效应。3.1匝道桥合成毛细效应该匝道桥的上部恒载主要有钢箱梁自重、箱梁端配重混凝土、桥面铺装和防撞栏。其中前两项为一期恒载,后两项为二期恒载。采用空间有限元模型,计算获得改造前后该匝道桥在恒载作用下的支座反力,见表2。由表2可知,该匝道桥在恒载作用下,支座反力有以下特点:(1)G14~G18改造前桥墩支座反力与改造后内侧和外侧支座反力之和基本相同,相差很小。(2)外侧支座反力不一定大于内侧支座反力,例如G14、G15和G17外侧支座反力大于内侧支座反力,但G16和G18外侧支座反力小于内侧支座反力,内外侧支座反力的大小与曲梁的线形有关。(3)改造前G13外侧支座反力约为内侧支座反力的3倍,内侧支座容易脱空,而改造后G13外侧支座反力与内侧支座反力相差不大,增强了主梁的抗倾覆能力。3.2车道活载作用下的全支抗倾覆稳定性该匝道桥行车道宽7m,单向双车道,根据JTGD60-2004《公路桥涵设计通用规范》,汽车活载采用公路-Ⅰ级车道荷载(均布荷载为10.5kN/m,集中荷载为360kN),将车道荷载布置在曲线梁的两侧,分别考虑在车道活载作用下的4种不利工况:1)单车道内侧偏载;2)双车道内侧偏载;3)单车道外侧偏载;4)双车道外侧偏载。各工况加载示意图见图2。该匝道桥改造前后在车道活载作用下4种不利工况的支座反力计算结果见表3。由表3可以得到:(1)改造前G13和G19桥台处支座负反力大于改造后的负反力,说明上部钢箱梁采用单支座较采用双支座抗倾覆稳定性差,容易倾覆。(2)改造前在工况2和工况3的情况下,支座负反力最大,改造后在工况2的情况下,支座负反力最大,说明这3种工况对桥梁抗倾覆稳定性不利,并且工况2最不利。3.3倾覆效应的计算上部结构在恒载作用下的支座反力为压力,有利于抗倾覆;而在车道偏载作用的支座反力为拉力(上拔力),不利于抗倾覆。在恒载和车道偏载作用下,通过分析该匝道桥的反力是否出现负反力(拉力)来研究其倾覆效应。将恒载和以上4种不利车道偏载工况进行组合,得到以下组合:组合Ⅰ:恒载+工况1;组合Ⅱ:恒载+工况2;组合Ⅲ:恒载+工况3;组合Ⅳ:恒载+工况4。在组合Ⅰ~Ⅳ作用下,该匝道桥的支座反力计算结果见表4。由表4可知,在组合Ⅰ~Ⅳ作用下,该匝道桥改造前桥台支座均出现负反力,说明在车道偏载作用下,支座出现了脱空现象,此时上部钢箱梁结构体系发生了变化,非常有可能发生倾覆事故。原结构体系与新结构体系简图如图3所示,由于桥台处支座脱空,两边跨形成悬臂结构。而改造后,该匝道桥桥台支座仅在组合Ⅱ和Ⅲ作用下出现负反力,在组合Ⅲ作用下负反力非常小,改造后只需在桥台处设置抗拉支座即可。4合建桥加固方案由于该匝道桥在车道偏载作用下存在倾覆的安全隐患,为了确保结构安全,同时施工简便可行,应采取有效的改造措施消除上部钢箱梁发生倾覆事故。更换G13和G19桥台处支座,改成抗拉支座,将G14~G18桥墩墩顶支承更改为双支座支承。改造方案有如下两种:方案1:在墩柱上钻孔,安装钢承托,相当于增加一小型盖梁,在上面安装支座,如图4所示。方案2:在墩柱上钻孔、植筋,增大墩柱的尺寸,使墩顶尺寸满足放置双支座的要求,在其上安装支座,如图5所示。对比方案1和方案2,方案2由于加宽了墩柱,恒载增加较多,同时也限制了桥下净空,影响正常通视,而方案1简单可行,不存在以上弊病,因此采取方案1对该桥进行加固改造。在G14~G18墩柱上安装钢承托,在钢承托上安装板式橡胶抗倾覆支座,为了尽可能地不改变原桥结构体系,拆除原墩顶支座。桥墩和钢承托通过在桥墩顶部钻孔,植入高强螺栓连接。5双支柱段成桥后,下受力及抗倾覆效应分析桥梁倾覆属于瞬时破坏,与结构的初始破坏和损伤程度不成比例,防范困难,经济损失大,社会影响恶劣,应引起桥梁工作者的注意。该文通过对小半径曲线钢箱梁独柱墩匝道桥抗倾覆分析,得出以下结论:(1)双支座支承的独柱墩曲线匝道桥的抗倾覆效应明显好于单支座支承。(2)在恒载作用下,双支座支承的曲线桥外侧支座反力不一定大于内侧支座反力