独柱墩连续梁桥横向倾覆稳定性研究

段伦良，唐光武，拉菲

（1.桥梁工程结构动力学国家重点实验室，重庆 400067；2.重庆交通大学，重庆 400074）

1 引言

据统计，自2000 年以来发生的桥梁倒塌事故中，因设计不合理而造成事故的桥梁占比高达41%，其中，近6 年就发生过4 次独柱墩桥梁倾覆失稳破坏。

国内外针对独柱墩倾覆问题做了大量研究[1-3]，也取得了一些进展。 现有研究通常将独柱墩桥梁的失稳方式定义为绕倾覆轴旋转破坏， 并未考虑主梁失稳过程中支座与主梁之间相互作用的影响。 其中，周子杰等[4]通过分析支座布置形式对倾覆轴的影响， 提出了不同支座布置形式下倾覆轴的选择方法。万世成和黄乔[5]对偏载下的独柱墩桥梁倾覆稳定性分析方法进行了综述， 并指出了当前计算理论存在的问题和未来需要突破的方向。 最近，彭卫兵等[6]通过调研多起桥梁倾覆失稳事故后提出了桥梁倾覆分为变形体转动、 刚体转动和滑动3 部分，并建立了分别考虑变形体转动、刚体转动和自重的计算方法， 其研究成果加深了对桥梁倾覆机理与失稳模式的认识。 本文以某独柱墩连续梁桥为背景，依据《公路危旧桥梁排查和改造技术要求》（交办公路函[2021]321 号）[7]，基于有限元软件MIDAS CIVIL 建立了独柱墩连续梁数值模型，研究了最不利工况下的横向倾覆特性。

2 工程概况

本文所研究的桥梁为钢筋混凝土连续箱梁，设计荷载为公路I 级，全长为217.0 m，跨径组合为15.92 m+9×20 m+15.92 m，断面为单箱单室，顶板宽度为8.5 m，底板宽度为4.0m，中支点梁高度为1.3 m，顶板厚度为20 m，底板厚度为20～40 cm，腹板厚度为30～50 cm，箱梁内外侧均采用弧形斜腹板。桥梁下部桥墩为承台接独柱墩。全桥桥面为水泥混凝土铺装，采用GPZ盆式橡胶支座。 为保证结构安全，该桥前期进行了加固，在1#、2#、3#、4#、5#、7#、8#、9#、10#独柱墩的单支撑横向两侧设置了竖向支撑点，并保留了原桥支座。 该桥平面布置如图1 所示。 本桥主梁采用C50 混凝土，桥面铺装用C40 混凝土，护栏选用C30混凝土，其中，桥面铺装所使用混凝土量为127.2 m3，护栏所使用混凝土量为142.191 m3。

图1 平面布置图

主梁跨中截面和跨中截面几何特征分别如图2 和图3 所示。

图2 主梁横断面示意图（单位：cm）

图3 主梁支点断面示意图（单位：cm）

3 桥梁倾覆稳定性分析

基于有限元软件MIDAS CIVIL 对桥梁上部结构进行数值模拟，全桥模型共划分单元102 个，桥梁有限元模型如图4所示。 在模型中按照实际的施工顺序浇筑混凝土与加载二期荷载、收缩徐变、支座加固改造3 个步骤进行。 在施工过程中，结构的边界条件等均通过相应组的激活与钝化实现。 主桥0#、6#、11#墩为双支座外，其余墩为独柱墩。

图4 桥梁有限元模型

经过试算，按照最不利工况偏载2 车道进行布载。 该桥倾覆稳定性验算结果见表1。 基于计算结果可发现，该桥在基本组合下支座未出现负反力， 最小抗倾覆系数大于2.5， 满足JTG 3362—2018 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[9]要求。

表1 抗倾覆验算结果

4 结语

本文基于有限元软件MIDAS CIVIL 建立了某加固后的独柱墩连续梁模型， 并研究了最不利工况下该桥的横向倾覆特性。 通过对该桥进行抗倾覆性能分析发现，对于特征状态一，在荷载基本组合下，所有支座均保持受压状态；对于特征状态二， 各支座在最不利情况下的最小稳定性系数均大于2.5，满足规范要求；支座反力最小值和各支座最小稳定性系数基本不会在同种工况下出现， 在分析两个特征状态时需注意。