基于抗扭失效的桥梁抗倾覆研究.docx

基于抗扭失效的桥梁抗倾覆研究阴存欣秦大航包琦玮北京市市政工程设计研究总院本文以作者从事的桥梁抗倾覆调查及研究的经验为基础，系统详细地阐述了桥梁抗倾覆分析 的 方法，并通过直桥和弯桥从未脱空到脱空，从脱空到倾覆的全过程分析，得出了基于抗扭失 效的桥梁抗倾覆规律，即桥梁倾覆为约束体系不断变化条件下桥梁体系抗扭刚度不断降低的 非线性发展过程，同时提出了提高桥梁抗倾覆性能的各种措施。 桥梁;独柱支承;扭转;抗倾覆490第六届中国公路科技创新高层论坛论文集 我院对本单位承担设计的五环以内400多座桥梁进行了调查统计，并进行了研究分析，对桥梁抗倾覆规律有了较为充分认识，为管理部门提供了合理化建议，得出了一些有意义的结论，为后续的科研 课题奠定了基础。2012年哈尔滨事故发生后，国务院下文给全国都下达了排查令，要求对已建和新建 工程进行抗倾覆安全性的排查，我院对北京五环以外的独柱桥梁和环路之间的放射联络线以及外地的项目也进行了排查。二、桥梁抗倾覆安全性评价研究方法 1桥梁抗倾覆排查方法由于独柱桥梁在桥梁数量上占了相当大的比例，要得出一个普遍而又符合科学性的结论，首先需要 找到一个排查的方法。我们首先设计了一个桥梁要素提取表，把桥梁结构的主要参数，尤其是和抗倾覆 性能密切相关的参数一一列表统计。这些参数主要包括：桥梁结构形式、跨径组合、设计年代、设计荷载 标准、平曲线半径、边墩类型、边墩支座类型及支座间距、中墩类型、中墩支座类型、中墩预设偏心值、防 落梁等抗震措施、中墩基础、桥面宽与边支座间距比、车行道宽、箱室底宽等。这样就可以对所有桥梁的 信息有一个较为全面的了解，并且可以根据各种要素对信息库进行排序。根据分析经验，对于中墩采用 墩梁固结的桥梁抗倾覆安全性较高，其倾覆安全性能由墩柱的承载能力决定，而桥面宽与边支座间距比 却是一个对桥梁抗倾覆安全性起着重要决定作用的因素，其数值越大，抗抗倾覆安全性能越低，尤其是 设计的桥面宽与边边支座间距比大于25的桥梁，应该引起高度重视，在排查时应该挑出该值较大的桥梁进行重点分析。2倾覆临界状态及抗倾覆安全系数的定义确定抗倾覆分析的对象后，需要采取合适的力学方法及对抗倾覆分析的科学评价方法。抗倾覆安 全性在既有规范上是空白，根据我院2009年工作成果定义2种I临界倾覆状态：中墩铰接独柱支承梁式 桥的倾覆破坏均首先表现为边墩支座脱空，然后出现中墩支座转角超限，最终发生结构整体倾覆。边墩 支座出现脱空和中墩支座转角达到003rad作为中墩铰接独柱支承梁式桥的倾覆临界状态。中墩全部采用支座的独柱支承梁式桥，中墩铰接独柱支承梁式桥的倾覆破坏均首先表现为边墩支 座脱空，然后出现中墩支座转角超限，最终发生结构整体倾覆。其中边墩支座出现脱空为第一倾覆临界 状态，中墩支座转角达到003。为第二倾覆临界状态。通常直桥由第一状态控制，弯桥由第二状态控制，在之后的抗倾覆过程分析中将给出说明。对于采用中墩固结的独柱支承的梁式桥，在偏心荷载作用 下，往往承载能力状态先于倾覆状态，建议不列入抗倾覆研究范畴。对于抗倾覆安全系数K可定义为式(1)的形式，其中，各参数意义如下：K一甏一半式中：K汽车荷载作用下结构的倾覆稳定安全系数； A缸考虑结构初始倾覆效应后，中墩支座转角达到临界倾覆状态结构的抗倾覆效应； M：。按最不利布载原则，规范汽车荷载作用下结构的最不利倾覆效应。Md为倾覆l临界状态结构抗倾覆效应；Mc初始状态结构倾覆效应。对于结构本身的效应需要考虑自重、二期恒载、混凝土收缩、徐 变、预应力荷载及温度效应等影响。对于安全系数的大小多少合适，在制定规范时需要有 一个安全性和经济性的综合考虑。由于结构出现倾覆临界状态需要一个过程，安全系数尼 只能通过对每个结构都进行全过程分析才能得到，无法通过简单取矩的方式得出。三、桥梁抗倾覆安全性能分析从平衡到脱空到倾覆的过程，其结构支承体系是变化的，即使在弹性状态，其体系的位移和力的关第三篇桥梁工程 491系也是呈现非线性发展的，在进行活载布载时要充分考虑这一点，由于支座脱空后结构体系发生了变 化，而影响线是在一定结构体系条件下解出的，在边界体系发生变化的情况下往往不能实现用影响线或 者影响面加载方式进行总活载效应的计算，可以采用手动布载最大满足该布载条件，按单向受压支承条 件进行多阶段的非线性计算。即使软件能按照影响线布载，其效果也应该按照最不利扭转角影响线或 影响面布载布出的而不是反力影响线或影响面布出的才是最不利的。在实际抗倾覆分析中，采用实际 发生的特殊车辆荷载会更符合实际，本文案例在不影响倾覆规律分析条件下，采用的加载模式为车道荷 载按偏载方式加载的方式。图5，图6示意了了直桥和弯桥在倾覆临界状态的支撑面，但是不能按照刚体平衡的理论力学方法 来理解桥梁倾覆时的位移和受力规律，如果按未脱空一侧支座连线为转轴用力矩平衡的方式求解倾覆 安全系数，算出的安全系数会远远偏大。图5直桥偏载作用下结构支撑面图6 弯桥偏载作用下结构支撑面1直桥倾覆全过程分析(1)直桥倾覆过程的转角一荷载关系 下面以某一直桥案例的分析来说明直桥基于抗扭失效的倾覆发展过程。某已建桥梁工程2号一6号墩之间为4跨预应力混凝土连续梁桥，跨径266m+330m，主梁混凝土强度等级C45，桥面宽0 48m栏杆+725m车行道+o48m栏杆共821m，主梁高140cm，底板宽345cm，悬臂238cm。2号，6 号墩处设隐盖梁，3号，4号，5号为独柱中墩。边敦各设2个GJZF4 30x65x5cm滑板支座，支座横向间距2 3m，桥宽边支座间距比为315。中墩采用C35混凝土， 采用外径95cm内径24cm厚度115cm的板式环形橡胶支座。桥面铺装为8cm沥青混凝土+7cm抗折混凝土，PL2装配式防撞栏杆。抗震设施情况为隐盖梁与端图7跨中断面图横梁采用直径7cm锚栓，中墩采用直径16cm抗震锚栓。断面形状如图7所示，支承方式如图8所示。擀州+|博图8支承布置平面图活载布置方式：按偏离桥梁中心线2225m布置最外一条行车路线。所有荷载按阶段荷载考虑，滑 板支座按单向受压桁架元考虑，中墩的支座按单向受压单元以及有剪切刚度的弹性支承考虑。用MI DAS进行空间分析，计算时考虑冲击系数，由于单向受压脱空过程是非线性计算，用影响线加载方式难 于实现，将汽车活载转化为静力工况分阶段计算。从表1可以看出，恒载+10倍的汽车设计荷载组合时主梁中墩最大扭转角0003弧度，边敦最小 反力95kN，超载20时，边支座一个脱空，一个临近脱空，反力15kN，最大竖向位移17mm，根据表中 恒载组合下的反力及恒载+1o设计荷载下的反力，可以推算出第一次出现边支座脱空的加载系数为 1114。超载20时，2个边墩的边支座均发生脱空，此时由于桥宽与边支座横向间距比为315，数值 较大，支座横向间距较小，桥梁尚未脱空的边支座和中墩的连线接近一条直线，在该约束条件下桥梁体492第六届中国公路科技创新高层论坛论文集系的抗扭转性能急剧下降，随着汽车荷载偏载的增加，桥梁转角急剧增加。超载30时，2个边敦都脱 空，转角和竖向位移急剧增大，转角达到005弧度，竖向位移达到115cm。可以认为桥梁已经倾覆。 从反应直桥转角一荷载关系计算结果的图9可以看出，从桥梁未脱空到出现第一次脱空，到2个边墩支 座脱空，再到倾覆，实际上是由于跨径不对称，左边墩脱空和右边墩脱空的时间不同，出现了未脱空，一 个边支座脱空，两个边支座脱空三种边界约束条件的结构体系。随着荷载的增加，主梁转角一荷载比即 斜率越来越大，体现了随着荷载发展约束体系变化后抗扭刚度不断降低的过程，结构的整体抗扭刚度呈 现分段线性变化，两个边墩的一侧支座均脱空后，转角与加载系数的比值即斜率急剧上升，也就是中墩 铰接直线独柱支承梁式桥，边支座脱空后经过很短的历程即发生整体倾覆破坏，所以在设计中可以将两 端边墩支座均脱空作为直线独柱支承桥梁倾覆的临界状态，在设计时要预留一定安全储备的抗倾覆安 全系数。各种工况下的计算反力位移汇总表表1组合的汽车荷载加载系数00101213152O最大扭转角(弧度)000000030004O05O16044位移边支座竖向位移(cm)一O100O171153679982号外92795OOOO2号内927189l20142198259936033号454549345007466439011989反力4号4577533254865963699995935号4795521052935017440028556号内1057201922822440275135226号外105724715OOO005l15225加载系数 图9直桥转角一荷载关系图(2)直桥倾覆状态的几何变形协调方式 分析了桥梁倾覆全过程的转角一荷载关系外，还有必要深人地去理解桥梁倾覆时位移的实际协调方式。通过桥梁倾覆时位移协调方式的理解可以进一步理解桥梁的抗倾覆状态。 首先，不能按整个梁体都是刚体变形的方式去理解，否则即使边墩横向有一个支座脱空，由于未脱空支座的压缩变形很小(如表1中所示，本例边支座在恒载下压缩量才lmm)，也会阻碍梁体的转动，倾 覆状态只有在纯几何可变或者瞬变体系状态下才能成立。从MIDAS计算结果表2中的全桥不同截面 的转角(在MIDAS中用Rx表示)来看，全桥的扭转角位移的前2位有效数字均为一o16弧度，说明不 同截面之间的相对扭转变形对梁体扭转的贡献微不足道，占转角位移的比例不到1。说明一般连续 箱梁的抗扭刚度很大，梁体不同截面之间的相对扭转变形也较小，倾覆时发生的转动位移主要表现为主 梁的整体大转动。第三篇桥梁工程 493超载30时主梁转角及竖向位移表2DxDYDzRxRvRz节点荷载阶段(m)(m)(m)(Erad)(rad)(rad)1合计使用00282 701209 701909 80159 900083 10000 002合计使用0011 480000 410000 80162 40004 900000 003合计使用0000 510000 8一O001 5一O163 80000 30000 004合计使用一0011 90000 410000 90162 30003 00000 003合计使用一0030 00120 960189 610159 4一OOO 750000 0066合计使用0028 lOO120 970367 030159 90008 320000 0068合计使用0028 090120 970000 80159 90008 320000 0070合计使用一0029 8O120 970365 870159 40007 50000 0072合计使用0029 8O120 970000 9一O159 40007 50000 00由于MIDAS的空间梁单元的渲染功能不完善，只能表示各个节点的线位移，显示的梁体截面始终 保持水平，为了更清楚地观察空间扭转变形，作者在模型中增加了有助于观察桥梁扭转变形的刚臂单 元，来观察截面变形后的形状，截面刚臂的各个形状特征点之间在纵向用刚度很小的虚单元连接。通过 观察位移的侧面投影得知，各个界面边线基本保持平行，相当于相同转角的截面在竖直方向的平移，也 说明桥梁倾覆时发生的转动实际是支座约束体系弱化后在弹性挠曲下同时发生的整体大转动。为了能更清楚地理解该桥在倾覆下的位移协调模 式，图10是作者根据计算结果绘制的一个说明该桥在 倾覆状态下的一个位移图示，实线表示梁体变形前的截 面，虚线表示变形后的梁端截面和中支点截面。根据中 支点约束情况，中支点截面节点中心竖向位移为0。梁 端截面的内侧，由于一般橡胶支座本身的压缩量很小， 此时应该和变形前基本位于同一个位置，又由于主梁扭 转角基本相同，变形后截面中心相当于竖直向上平移了 支座间距的一半L。或者L。乘以梁体的刚性扭转角口。图10梁端和中支点处主梁截面位移侧视图 中间的各截面则位于梁端截面和中支点截面之间，但在竖向都保持平行，即投影后在同一个水平面上。而转角臼。的大小既然和桥梁截面中心的竖向位移D： 相关，也就和桥梁竖向挠曲时的弹性位移相关，桥梁的竖向抗弯刚度越小，挠度越大，桥梁的转角也越 大。图10所示边支点梁截面的位移关系可以表示为式(2)的形式。Dz一氓L一银Lo(2)总之，该直桥倾覆时的变形是整个梁体的整体大转动与梁体的竖向位移叠加而成的，在支座脱空后 主梁同时发生了整体大扭转和竖向弯曲弹性变形，而整体扭转角的大小是和竖向弯曲弹性变形相关的。 在算例内外侧支座对称布置直桥的条件下，梁端尚未脱空的支座位移很小，边支点处梁截面中心的竖向 位移为支座间距的一半乘以扭角，脱空侧支座的竖向位移为支座间距乘以扭角。在这种模式下的变形 方式与计算结果和几何图形显示上完全一致。也就是说这种与受力平衡方式一致的变形模式也是几何 可能的或者说是几何协调的。2弯桥倾覆全过程分析为了分析弯桥的抗倾覆规律，作者将上述同等跨径的直桥经过坐标变换为平曲线弯曲半径尺为 100m的弯桥，约束条件和加载方式都相同。得出了该桥加载过程的转角一荷载关系图。由于空间程 序解出的转角位移一般为总体坐标系，在观察主梁扭转角时要进行整体到局部的坐标转换，才能得出绕 主梁轴线的扭转角。转换的表达式如式3所示。494第六届中国公路科技创新高层论坛论文集严确m0，一l z2m2n2 l巩_(3)【晚JL。m。规。J l包J其中，Z，m，门。为z轴在整体坐标系X，y，Z中的方向余弦；z。，m。，2：为Y轴在整体坐标系X，y， Z的方向余弦；z。，m。，咒。为z轴在整体坐标系X，y，Z中的方向余弦。从计算结果得到，该桥在0909的加载系数下即发生了边支座脱空，但是从图11弯桥转角一荷载 关系图可以看出，虽然不同阶段的转角荷载关系仍然表现为整体结构的抗扭刚度弱化的趋势，但脱空 后转角随着荷载增加的幅度远远小于直桥，说明弯桥一般较直桥容易发生边支座脱空，但是脱空后其抗 倾覆性能要高于直桥。中墩铰接曲线独柱支承梁式桥在整个倾覆过程中桥梁截面的法线不在一个方 向，变形协调方式将和前述的直桥的方式有所不同，在抗倾覆过程中弯桥截面的抗扭刚度能发挥一定作 用，边支座脱空后经过较长的历程后才发生整体倾覆破坏，最终破坏形式表现为中墩支座转角超限破 坏。所以前述弯桥的倾覆临界状态也按中墩的转角限值定义。fV”笱j援啦辑 nnnn仰 b叭0：畲0O5115225335加载系数 图11弯桥转角一荷载关系图四、抗倾覆设计的主要措施和注意事项 1在结构体系上采取措施增加桥梁抗倾覆稳定性(1)桥宽与边支座间距比减小桥宽与边支座间距比是提高桥梁抗倾覆性能的最有力措施。根据分析和研究经验桥宽支座间 距比大于25的独柱桥梁尤其是直桥，抗倾覆性能均较差，风险系数较大，在设计时要引起注意，减少箱 梁悬臂长度，增加箱底宽度，并合理确定支座横向间距，能较好地提高桥梁抗倾覆性能。端横梁外伸的 方式也可以使桥宽与边支座间距比降低。(2)墩梁固结及边支座个数墩梁固结是提高桥梁抗倾覆性能的措施之一，只要墩柱的承载力满足要求，就可以保证桥梁有较高的抗倾覆能力。另外，由于恒载的分配关系，边支座采用双支 座比3支座而言，单个支座的恒载反力更大，可以推迟脱空的 时间。(3)采用有力的防落梁设施 桥梁的防落梁设施在抗倾覆功能上也能发挥一定作用，前述秦皇岛东港路的事故中抗震设施限制了变形的进一步发展，没有发生重大事故，但抗震设施已经被破坏了，2个45号图12东港路桥梁侧倾时抗震设施损坏情况钢的脚被直接剪断，如图12所示，所以有利的抗震设计在抗 倾覆时能起到一定作用，抗倾覆加固中可以借鉴一些抗震防落梁设施的做法。2千方百计限制超载车辆上桥桥梁