关键设计参量对独柱墩连续梁桥抗倾覆性能的影响分析

关键设计参量对独柱墩连续梁桥抗倾覆性能的影响分析

黄存彪, ,康旭, ,李珠熙

南京理工大学 土木工程系，   南京 江苏 210094

摘要: 近年来，各地独柱墩连续梁桥倾覆倒塌的案例时有发生，造成了巨大的政府财政损失和不良的社会影响。因此，对独柱墩桥梁抗倾覆性能的研究具有至关重要的实际意义以及工程价值。本文结合现有规范，利用MIDAS软件建立三维有限元模型，以车道荷载偏心距与主梁跨径作为两个关键设计参量，分析其对于桥梁的整体抗倾覆性能的影响，并针对性地提出建议，最后介绍了其他在实际桥梁设计中需考虑到的影响因素。

关键词: 独柱墩桥梁；抗倾覆；车道荷载偏心距；主梁跨径

0引言

随着我国城市铁路与市政交通的飞速发展，为满足美观、空间、造价诸方面要求，因此对于独柱墩连续梁桥的研究大有裨益。近几年发生的无锡高架桥侧翻、浙江上虞市春晖大桥坍塌、湖北鄂州12.18桥面侧翻事故[1,2]。究其原因，主要是由于车辆的超载行驶导致桥梁出现支座脱空，最后造成桥梁的整体倾覆与坍塌。

2018年以前中国的公路桥梁规范，对桥的梁结构倾覆稳定性的判定并未作出明确规定，只有对于禁止桥梁支座脱空的描述［3］，而且诸多独柱墩连续梁桥的设计过程中也仅仅考虑了抗剪、抗弯的承载力即强度验算。对此，许多国内学者都展开过相关研究，如袁摄桢等[4]采用梁格法对某独柱墩宽桥建立有限元模型,在不同荷载工况下分析了其横向倾覆稳定性，并提出了横向倾覆稳定系数简化算法。姜爱国等[5]利用 Midas 软件建立独柱墩曲线梁桥模型,研究了荷载作用下曲线桥梁支座的脱空顺序,确定了桥梁的倾覆轴线。张于晔等[6]针对车辆撞击桥墩问题，设计了一种采用泡沫铝材料的桥墩防撞装置。然而，关于独柱墩连续梁桥在偶然偏心荷载作用下抗倾覆稳定性方面的研究尚鲜见报道[7,8]。

本文主要以 Civil  Midas2020 软件的建模进行计算分析，主要针对车道荷载偏心距和主梁跨径对于桥梁抗倾覆性能的影响，提出了几点有利于提高桥梁抗倾覆能力的建议。[[1]]

1 车道荷载偏心距对独柱墩连续梁桥整体倾覆性的影响

1.1 模型概况

该模型参考中国标准高速公路双向六车道（2*11.25m），建立一全长为 100m，共计四跨的直形独柱墩连续梁桥，梁高 3.0米，桥端支座为双支桥墩，桥身支座为单支桥墩。主梁采用 C45 混凝土，钢筋采用 HRB400，车道荷载按照公路一级荷载10.5kN/m 的 2.5 倍超载取值并以车道中轴线为车道荷载作用线，其他因环境、材料引起的附加荷载按照文献[7]，共设定以下4种工况：

工况1：车道荷载分布为单侧最内侧车道；

工况2：车道荷载分布为单侧中间车道；

工况3：车道荷载分布为单侧最外侧车道；

工况4：车道荷载分布为单侧最外侧车道，但车道荷载为 4.0 倍超载；

MIDAS 所建模型示意图如图 1 所示，模型支座编号如图 2 所示

1.2 Midas模拟计算结果

记录各支座反力最小值（即CBmin），以支座反力为零这一极限作为支座脱空的判定界限，并以此判定该独柱墩连续梁桥将发生倾覆。不同工况下各支座反力大小如图4所示。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）4.1.8所规定的横向抗倾覆稳定性系数的验算，各工况下桥梁抗倾覆稳定性系数 Ki（由MIDAS CDN 得出，因篇幅有限仅给出数据）如图5所示。

1.3 结果分析

从图4中易发现改变车道荷载的偏心距对于桥中支座的影响并不大，但这仅是出于MIDAS建模时跨中支座的理想模型化，在实际梁桥中桥墩支座存在由于偏心距的存在，将会进一步加大桥梁整体倾覆的可能；而随着偏心距的增大，异侧支座反力逐渐减小。工况三只考虑到公路一级荷载的 2.5 倍超载，但在实际事故发生时，车辆的实际超载甚至超过模拟所设定的 2.5 倍公路一级荷载，因此在工况四的模拟中，异侧支座反力出现负值代表已经脱空，桥梁也已发生倾覆。结合图 5，在抗倾覆力矩不变的情况下，由于车道荷载偏心距增加，倾覆力矩逐渐增大时的连续梁桥的整体抗倾覆稳定系数Ki减小，因此在偶然偏心荷载即严重超载车辆通过时，梁桥所承受的倾覆力矩将远大于设计值，进而发生倾覆。

2 主梁跨径对独柱墩连续梁桥整体倾覆性的影响

2.1 模型概况

以上述工况3下车道荷载的分布，改变主梁跨径，以25m、30m、40m、50m共计四种主梁跨径建立MIDAS模型，所建立的四个模型跨数均为4。

2.2 Midas模拟计算结果

以支座编号为横坐标，记录不同不同跨径下，各支座最小反力（CBmin），计算结果如图6所示，并记录下有CDN所计算出的各模型的抗倾覆系数值的大小，计算结果如图7所示。

2.3 结果分析

本次建立的四个模型不改变车道荷载载大小与车道荷载偏心距，以主梁跨径为变量。由图6分析可知，随着跨径的增大，桥梁模型的自重荷载也会随之增加，进而使得车道荷载的偏心距对异侧支座反力的影响比率变小，所以支座反力最小值逐渐变大。图7中，发现在跨径由 25m 提升至30m 时，由于自重荷载的增加，该独柱墩连续梁桥的抗倾覆力矩也增加，使得抗倾覆稳定系数Ki在一定范围内略微增加。但是随着跨径的进一步提升，自重荷载对于桥梁模型自身抗倾覆力矩的提升效益减弱甚至出现降低。此时导致桥梁稳定性的影响的，不仅需要考虑主梁跨径的变化，还应结合模型抗弯、抗剪承载能力、支座横向间距[8]进行综合分析。故而在多重影响因素的耦合作用下，模型的抗倾覆稳定性反而减弱。

3 结论

本文针采用 MIDAS 有限元软件建立直型独柱墩连续梁桥模型，研究了车道荷载偏心距离与主梁跨径两个重要设计参量对于独柱墩连续梁桥整体抗倾覆稳定的影响。研究结果表明：（1）随着车道荷载偏心距离的增加，梁桥截面所受倾覆力矩增大，抗倾覆稳定性减弱；（2）主梁跨径在一定范围内增加有益于梁桥抗倾覆稳定性的提高，超过该范围后由收到其他因素的影响，梁桥的抗倾覆稳定性能减弱。因此在对梁桥的整体结构设计时，有必要考虑主梁跨径的大小。

参考文献 ：

[1]李翠华,杨利斌,傅志华,梁新亚,彭卫兵,贾学军.无锡市312高架桥倾覆事故分析[J].工程力学,2021,38(09):203-211.

[2]史贤豪.偏载作用下独柱墩梁桥的倒塌机理研究[D].浙江工业大学,2014.

[3]武宏晓.连续独柱墩桥梁抗倾覆安全评价及加固设计方案[J]. 2010.

[4]袁摄桢,戴公连,吴建武.单柱宽幅连续梁桥横向倾覆稳定性探讨[J].中外建筑,2008(07):154-157.

[5]姜爱国,杨志.独柱墩曲线梁桥倾覆轴线研究[J].世界桥梁,2013,41(04):58-61.

[6]张于晔，潘睿阳，蒋冬启. 车辆撞击作用下泡沫铝防撞桥墩的动态响应特性[J]. 振动工程学报, 2021, 34(01): 89-98.

[7]中华人民共和国交通部. JTG 3362-2018，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[8] 张国鹏，邓晓凯. 独柱墩连续梁桥抗倾覆加固方案分析[J]. 中国建设信息化, 2021,26(13): 99-100.

基金项目：南京理工大学国家级大学生科研训练“百千万”计划项目（项目编号：20210288091）