桥梁整体抗滑倾覆稳定性失效分析

刘林飞

摘  要：近年来，我国因整体失稳而发生的多起类似梁桥破坏事故相继发生，其失稳的关键因素是倾覆。然而，梁桥滑动此类不寻常的整体失稳破坏模式，却很少被提及，本文主要就梁桥整体抗滑倾覆稳定性进行分析。因此，本文首先对梁桥上通过的偏心重型车辆的响应进行了评估。其次，本文分析了滑坡和倾覆的整体失稳过程。为了实现这两个目标，笔者采用模型和方法分析梁桥的动力响应。分析结果表明，破坏开始于隆升，结束于滑动，而不是刚体翻转。根据数值分析的结果，讨论了轴承的规格限制和摩擦系数。

关键词：梁桥，抗滑，稳定性，失效

1.前言及背景分析

例举我国有因整体失稳而导致梁桥事故发生的事故4起。2011年，浙江春晖大桥因4辆总重389.3吨的货车垮塌。第二年，当四辆超载的卡车在右侧甲板上行驶时，哈尔滨的一钢-混凝土组合梁从桥墩上滑落到地面上。2015年，广东省再次发生了与浙江省相同的坍塌事故。2016年，上海中环线简支梁发生转动和滑移，幸运的是没有发生其他的意外坍塌事故。

对上述四起事故的调查最终都得出结论：车辆超载;这些事故中的桥梁有五个共同特征：

（1）整体箱梁桥;（2）大半径的直梁或水平弯梁;（3）在同一甲板侧行驶或者停留的重型车辆;

（4）多跨倒塌桥梁多为单柱墩单支座、梁端双支座间距离较短的多跨倒塌桥梁;（5）整体失稳的相似破坏模式有滑动和倾覆。

梁桥在车辆荷载偏心作用下，特别是滑移和倾覆作用下的整体稳定性是设计过程中必须考虑的问题。例如，EN 1990给出的整体稳定性受到结构受静载影响的极限状态，并应验证为结构静力平衡的损失。类似地，我国的工程结构设计标准也要求一些相关的规定。SIA 260标准明确了结构在四种极限状态下的整体抗滑、抗倾覆、抗隆起稳定性。我国公路桥规范中引入了大于2.5的稳定性系数的倾覆案例。施工规范中强调，当竖向荷载小于竖向承载力的20%时，不应采用多回转轴承。同样，我国铁路桥梁规范要求轴承的最小压应力应大于2mpa。

部分学者使用ANSYS对一座倒塌的箱梁桥进行了有限元模型研究偏心重型车辆下的破坏机制。他们发现坍塌是由倾覆的不稳定性和材料的强度失效引起的，数值分析结果中水平力与崩塌方向明显相反。为预测单柱墩桥的倾覆荷载，有些学者提出了一种简单的分析方法，核心思想仍然是基于刚体原理，且考虑了轴承摩擦的影响。部分学者认为倾覆轴是桥梁两个支座之间的一条直线。却很少有人关注车辆在破坏过程中的滑动问题。因此，本文不仅研究其结构，还分析了偏心重型车辆通过梁桥时整体滑移和倾覆失稳过程。还讨论轴承规格限制和摩擦系数选择。

2.桥梁数值模型

为了研究结构失效的原因，特别是对偏心重型车辆过桥时钢筋混凝土梁桥倒塌前的行为进行了研究，在现场调研的基础上，建立了三维非线性有限元分析模型。在本研究中，我们采用了一种循序渐进的方法，并在发现结构动力学分析方法的理论基础上，在其中发现了梁在移动荷载作用下的动态响应。

在研究分析中，我们对春晖大桥做了详细三维非线性有限元模型。该模型采用梁单元对梁、墩、桩、承台进行模拟，并总结了其性能。采用钻孔取心法测定主梁和墩柱的混凝土抗压强度，并根据测得的强度计算其模量，其余均来源于设计文件和规范。同时，梁与轴承之间采用刚性连接单元。

春晖E匝道桥上部结构与下部结构之间的连接采用弹性层压轴承、侧挡块和销钉进行。一般而言，不受任何张力的弹性层压轴承为上部结构提供了垂直和扭转约束，以及水平力作用下的刚度，如风荷载或地震力。类似地，侧挡和销钉的设计是为了抵抗地震力的水平力，并限制水平位移。

3.非线性弹簧单元模型

采用非线性弹簧单元模型对弹性层压轴承、侧挡圈和销钉进行了建模。并分别计算弹性层压轴承的竖向刚度（KV）和水平刚度（KH）。同时，在库仑摩擦模型的基础上，考虑了轴承在水平方向上的滑动行为。

采用多线性外剪键力-位移关系模型简化了侧向挡块的性能。虽然该模型是基于支撑-拉杆机构建立的桥台外剪键模型，但在理论上也适用于桥台内剪键。此外，抗侧力（HV=HVc+HVs）由两部分组成：混凝土和钢筋。模型的各级位移取决于侧挡块的大小、配筋发展的长度、开裂区域的长度和钢应变。

4. 数值分析

在本研究分析中，车辆速度对桥梁结构响应的影响不是主要關注的问题。因此，我们在分析中将车速设为1m/s，利用车辆从桥台（A0）开始的行驶距离（vt）来确定车辆在桥面上的位置。

4.1梁的倾覆

由于扭转角或梁的表观扭转形状是反映倾覆响应的关键位移参数，通过有限元分析得到春晖E匝道大桥的扭转角，当行驶距离为0m～20m时，扭转角很小，P1处最大值仅为0.001 rad。与此同时，所有轴承都处于明显的压缩状态。在第1阶段，左侧支座的反作用力减小到0.6 kN;右支座反力增加到1692.6 kN;P1墩反力增加到3835.2 kN，其他方面基本不变;增量和约为货车总重T1。

当掘进距离为20m～32m（二期）时，桥台左轴承失效，梁扭转角缓慢增大，在A0和P1处的最大值为0.009 rad。在第二阶段，左支座的反作用力减小到0 kN，而其他支座的反作用力继续保持与第一阶段相同的趋势。当行驶距离为32m～90m（三期）时，A0、P6左轴承停止工作，梁的扭转角达到峰值（约0.28 rad）。P1、P2、P4和P5的反作用力变化明显。在第三阶段，扭转角的正切值超过了摩擦系数;当行驶距离为82米时，P1和P5的轴承停止工作。然而，梁在扭转方向（Rx）仍然保持稳定。从技术上讲，不会发生倾覆，扭转角也不会超过90度。

4.2梁的滑动

由相关计算公式可计算出横向滑移阻力（Hi），并可以看出，A0和P6处的横向滑移电阻在第三相继续增大。这是由于纯PTFE润滑的弹性层压轴承的扭转角的切向值大于摩擦系数。而其它支座的横向滑移阻力较小，甚至为零。

因此，梁在支座处有横向位移。梁在第一和第二阶段没有滑移。在第三阶段，当掘进距离为32m～50m时，梁与右支挡在桥台处间隙减小到0cm。梁在A0、P1、P2处的横向受侧塞约束。在滑移失稳前，P1处的横向滑移位移小于15mm。梁在P4、P5、P6处的横向位移继续增大。最后，当车辆行驶到88 m时，P6处梁的横向位移大于150mm，此时梁由于滑移而失稳。

5. 结论

春晖E匝道大桥垮塌现场调查后，采用非线性有限元方法对车辆过桥的全过程进行了模拟分析。用数值模型重新计算了力和位移的响应曲线。根据现场调查和数值分析，最后提出下列结论：

（1）动力响应非线性分析的一般方法—逐步分析法是评价梁桥整体稳定性的有效方法。特别是通过数值分析得到了整个过程的结构响应。

（2）考虑梁的变形和非线性边界条件的横向防滑平衡方程;可用于梁的滑动稳定性评价。

（3）春晖e -匝道大桥的分析结果表明，桥梁的破坏开始于支座和支座的抬升以滑动结束，而不是刚体的翻转。

（4）春晖e -匝道大桥侧移运动过大，侧移限位装置失效，导致桥梁失稳垮塌。在桥梁设计过程中，侧向限位装置应具有足够的延性和强度。

（5）倾覆安全系数的传统评估方法没有考虑梁的变形和滑移，由于支座摩擦系数对梁的抗滑性也有重要的影响，因此这是一种有限的方法。