独柱墩连续弯箱梁桥抗倾覆稳定性模拟分析

■杨庆嵘 张玥（内蒙古科技大学建筑与土木工程学院，包头014010）



独柱墩连续弯箱梁桥抗倾覆稳定性模拟分析

■杨庆嵘 张玥
（内蒙古科技大学建筑与土木工程学院，包头014010）

独柱墩连续弯箱梁桥凭借自身优点被桥梁工程广泛应用，但其在偏心偶然超载作用下，很容易发生失稳现象。本文以（20+32+20）m混凝土连续箱梁为实例，介绍了连续弯箱梁桥的特点，并利用相关软件模拟半径和支座布置对独柱墩连续弯箱梁桥稳定性的影响作用，为同类工程设计提供必要的技术参考。

独柱墩连续弯箱梁桥稳定性模拟分析

0引言

独柱墩桥梁由于具有结构轻巧、易适应地形、整体结构美观等优点，被广泛应用于城市立交桥、城市高架桥以及匝道桥上。但由于独柱墩墩顶较窄，使得墩顶支座横向间距很小，甚至只能采用单支座支承，这种结构在汽车超重偏载作用下，对倾覆稳定性非常不利。同时由于曲线梁桥受曲率的影响产生了扭矩，梁体结构发生弯扭组合变形，且截面还伴随有的翘曲和畸变。随着曲线梁桥倾覆事故的出现，使得社会各界对它的横向抗倾覆稳定性能给予极大的关注和重视。

1连续弯箱梁桥的受力特点

弯箱梁桥的主体结构为顶板、腹板、底板和加劲肋等，根据承重结构的不同又分为简支梁桥和连续梁桥。其中简支梁桥属于静定结构，各跨单独受力；而连续梁桥为超静定结构，具有结构刚度大、变形小等优点，因而被更广泛的应用。此外，连续弯箱梁桥在受力时有如下特点：

（1）主梁对弯曲和扭转有较大的抵抗力，而且由于主要结构上下面有着相似结构，使桥梁能够承受相近的正负弯矩作用；

（2）连续箱梁在受力时各跨会分担载荷，会大大减小桥主梁畸变的产生，从而保证桥梁的稳定性；

（3）当连续箱梁产生纵向弯曲时，由于纵向弯曲载荷作用而出现“剪力滞”现象，由此看出连续箱梁桥剪切变形分布具有较明显的不均匀性。

2工程概况

某联混凝土续箱梁的孔径布置为（20+32+20）m；桥面宽度为2×0.5m（防撞墙）+净11.0m；桥面铺装为10cm厚C50混凝土；支座布置为独柱墩，设单支座，桥台设双支座，横向间距6.5m；主梁构造为C50混凝土，单箱双室截面，跨中截面尺寸如图1所示。

图1　跨中截面尺寸（单位：cm）

3独柱墩连续弯箱梁桥抗倾覆稳定性模拟分析

3.1模型的建立

本文运用midas梁格法建模助手建立弯桥模型，支座单元上部节点与主梁采用刚性连接，支座单元上下节点采用弹性连接，输入刚度模拟实际板式橡胶支座，其具体参数如下表1所示。支座单元局部坐标及支座布置形式分别见下图2和图3所示。

表1　板式橡胶支座具体刚度

图2　支座单元局部坐标

图3　支座布置形式

3.2半径对支座转角的影响模拟分析

为对支座转角进行对比分析，分别设立如下三种工况：工况1，公路-I级车道荷载；工况2，1.3倍公路-I级车道荷载；工况3，55t车辆组成的3辆密集排列车队，车队纵向相邻车辆前后轴的间距为3.2m。桥墩支座转角是在荷载组合：支座沉降+恒荷载+徐变二次+收缩二次+车辆下取得最小值。桥梁半径分别设立50m、100m、150m、 157.5m、165m、200m、300m、500m、800m。

在此采用桥墩支座处转角来分析桥梁半径对支座转角的影响。在三种工况下靠近车辆驶入主梁方向的3号桥墩支座转角和远离车辆驶入主梁方向的4号桥墩支座转角变化曲线如下图4所示。

根据图4可知，3号与4号支座的半径越大，其转角越小。而桥墩支座转角越大，桥台内外侧支座反力越不均匀，支座也越容易脱空，这在桥梁使用过程中是不允许发生的。工况三作用下桥墩支座处转角要明显大于其他工况，其支座越易发生脱空。可见重载车队作用于桥梁外侧车道是独柱墩箱梁发生倾覆的直接原因。

3.3支座布置对桥墩支座转角的影响模拟分析

3.3.1桥台支座间距对桥墩支座转角的影响

对于独柱墩桥梁来说，改变支座布置形式是提高其抗倾覆稳定性的重要途径。在此通过设置不同桥台支座间距来模拟其对桥墩支座转角的影响，间距分别设置为6.5m、6.7m、6.9m、7.1m，模拟结果（部分）如下表2所示。

图4　桥墩支座转角变化曲线

由表2可知：增大支座间距，桥墩处的支座转角总体是减小的，有利于桥台支座反力分布均匀，降低支座脱空的可能性，增大独柱墩弯梁桥的抗倾覆稳定性。但其趋势并不明显。

3.3.2不同桥墩支座外侧预偏心对桥墩支座转角的影响

分别设置桥墩外侧偏距分别0.1m、0.2m的梁格模型，计算桥墩处支座转角变化情况（部分）如下表3所示。

表2　不同支座间距下桥墩支座转角变化（部分）

表3　不同桥墩支座外侧预偏心对桥墩支座转角的影响（部分）

由表3可知：设置桥墩外侧支座预偏心可以有效减少桥墩支座转角，支座预偏心设置越大，桥墩支座转角减小越多，这也表明桥台支座反力分布会越均匀，有利于支座的稳定。设置0.2m桥墩支座预偏心与设置0.1m桥墩支座预偏心相比，其桥墩支座转角平均提高20%，因此得出设置桥墩预偏心是降低桥墩支座转角的有效方法。

4结束语

本章通过对板式橡胶支座的抗倾覆稳定性模拟分析，得出以下结论：（1）虽然增大桥台支座间距会使桥墩支座转角减小，但其效果并不明显；（2）增大桥墩支座预偏心可以有效减小桥墩支座转角，且设置0.2m预偏心的转角要比0.1m预偏心平均减小20%左右。因此，设置预偏心是当前提高独柱墩连续弯箱梁桥抗倾覆稳定性的重要途径。

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