浅析独柱连续箱梁桥在汽车偏载作用下的稳定性

马增数

（石家庄铁道大学 河北石家庄 050043）

浅析独柱连续箱梁桥在汽车偏载作用下的稳定性

马增数

（石家庄铁道大学 河北石家庄 050043）

汲取独柱墩梁桥倾覆事故的教训，根据夹圹互通立交桥的检测数据以及相关技术资料，对该桥进行偏载作用下的稳定性分析，得到偏载限值，为该桥的进一步决策提供一定依据。

独柱墩 偏载 横向倾覆

1 引言

独柱现浇连续箱梁桥由于具有占地少、下部结构布局合理、外形轻巧美观等优点，被广泛应用于城市桥梁和高速互通立交匝道桥中。但由于独柱墩在横桥向采用单支点支撑，在汽车偏载作用下，对结构的横向抗倾覆稳定非常不利。大量的事实证明，在偶然偏心荷载作用下，独柱墩桥梁可能发生整体横向失稳，而我国大部分桥梁工作者比较关注的是桥梁抗弯、抗剪承载力是否满足规范要求，对由偏心偶然超载引起的横向抗倾覆能力关注不足。本文以衡水市境内的一座互通立交桥为例，根据实际检测数据，对其稳定性进行了分析。

2 工程背景

2.1 桥梁概况

图1 实际桥梁照片

夹圹互通立交桥是一座跨石黄高速公路的桥梁（图1）。桥梁跨径为20.55 m＋4×25 m＋20.55 m，桥面净宽为11.4 m，上部结构为单箱双室预应力混凝土连续箱梁。下部为钢筋混凝土圆截面独柱墩，乘台下中墩配4根直径120 cm钢筋混凝土灌注桩，桩长均为20 m。桥梁设计荷载等级为汽车－20级，挂车－100。预应力混凝土梁设计强度为45#砼。

2.2 检测内容

根据汽车－20级，挂－100的荷载等级标准，在适当超载荷加载下，通过桥梁偏载试验以及模态试验分析，评定该桥的横向倾覆稳定性或力学性能，并应用空间模型进行验算分析，为该桥进一步决策提供科学依据。主要检测内容包括：

（1）桥梁上部结构静荷载受力状况：在不利汽车偏载作用下，分析预应力混凝土连续箱梁的横向倾覆稳定性，并应用空间有限元模型进行数值验算分析。

（2）桥梁下部结构静荷载受力状况：在不利汽车偏载作用下，分析钢筋混凝土柱的应力特征，并应用空间有限元模型进行数值验算分析。

（3）桥梁动力状况：在环境激励下，测试与分析预应力混凝土连续箱梁的模态，并与桥梁空间动力有限元计算值进行比较和分析。

2.3 试验方案简述

试验过程中采用目前国际上最先进的设备（美国BDI-STS-WIFI STRUCTURAL TESTING SYSTEM）与技术，首先对该桥进行动力模态测试以及强度测试等，根据测试数据，经室内动力有限元建模、模态分析、模型修正等，获得桥梁实际结构力学模型，根据该模型可实现桥梁力学性能的全面分析。

图2 分级加载布置图

桥梁静力荷载试验主要是通过测量桥梁结构在静力试验荷载作用下的变形和内力，加以确定桥梁结构的实际工作状态与设计期望值是否相符。它是检验桥梁结构实际性能，如结构的强度、刚度等最直接、最有效的方法。

2.3.1 静力加载方案

定量资料用 M（Q25，Q75）表示，使用 Excel表格整理数据，SPSS19.0进行数据分析，不符合双变量正态分布采用Spearman秩相关分析，设定检验水准为α=0.05的双侧检验。

为获取实际结构横向稳定性变化规律，同时保证加载安全，采用分级加载方案。根据基本力学分析，重点对2#墩进行偏载试验。第1级载位为2#墩与3#墩跨中偏，第2级载位为2#墩上方偏，第3级载位为1#墩与2#墩跨中偏。分布荷载分别为40t偏、80t偏、120t偏。加载方案如图2所示。

2.3.2 模态测试方案

为了不中断交通，试验采用随机环境激励（随机的交通流＋大地的脉动振动）。本次测试该桥梁采用BDI-STS-WIFI STRUCTURAL TESTING SYSTEM桥梁实验模态无线测试分析系统。该系统的采样频率范围为1HZ到200HZ，可以满足大多数类型的测量需要。模态测试布置在1#与2#柱之间，智能传感器沿桥面两侧等间距各布置4个测点。在2#墩柱两侧各布置2个智能传感器。测点布置如图3。

图3 测点布置图

3 检测结果分析

3.1 混凝土桥墩应变测试结果与分析

在3级静力工况作用下，2#混凝土桥墩实测的应变统计值如表1所示。

表1 应变传感器数据统计 µε

根据以上测试结果可以看出，对于120 t分布荷载偏载作用下，与箱梁铰接的2#墩，最大压应变小于45µε，最大拉应变小于18µε。说明混凝土在桥墩上述荷载条件下竖向工作性能良好。

3.2 箱梁的横向倾覆位移实测结果分析

在偏载作用下，对2#墩横向箱梁边缘进行了倾覆位移测试，其测试结果如表2所示：

表2 拉绳位移传感器测试结果 mm

3.3 箱梁的横向倾覆有限元分析

根据桥梁的相关技术资料以及模态检测数据建立有限元模型，并进行计算得到以下结果（表3）：

表3 荷载对支座受力与脱空影响分析 kN

空间有限元模拟计算分析表明，在140 t分布活荷载偏载作用下，非加载侧桥台支座开始出现脱空，结构处于倾覆的临界点。对于偶然超载偏行车队上部结构存在倾覆的危险。

4 结论及建议

为确保该桥以及石黄高速公路的运行安全，建议对独柱结构进行加固处理。

建议加固方案：根据独柱下部的群桩基础，在独柱的两侧各增加一根直径为1.2 m钢筋混凝土柱或钢管混凝土柱。并在适当部位增加横系梁，以增加结构稳定性。对新增加的柱，其与上部箱梁采用橡胶支座联接，并注意预加力不宜过大，以防止造成应力集中，影响原结构工作性能。

Structural Stability of Single-columned Bridges under Eccentric Load

MA Zeng-shu
(Shijiazhuang Tiedao university Shijiazhuang Hebei 050043 china)

With the lessons from the overturning accidents of the single-columned bridges and based on the sense data and related technical information, the structural stability of the interchange overpasses under eccentric load is analyzed and limit of the eccentric load is obtained, which provides basis for the further decision of the bridge.

single-columned pier eccentric load lateral overturning

U446.1

A

1673-1816(2014)01-0068-04

2013-11-26

马增数（1958-），汉，河北赞皇人，经济师，研究方向桥梁工程。