桥梁结构抗倾覆计算分析与防控措施

殷 涛， 丁 楠， 张 龙

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司;公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心,安徽 合肥 230088)

0 引 言

2007年以来,我国发生了多起桥梁倒塌倾覆事故,桥梁的稳定性和安全性越来越受到重视。通过对倾覆形式和原因的分析,倒塌原因主要有三种[1]:

(1) 下部结构破坏,上部结构保持完好。在极端事件下(例如地震、车辆撞击等),下部结构破坏,上部结构支承失效,引起倒塌。

(2) 上部结构强度破坏。荷载作用下,上部结构因强度不足发生破坏,造成倒塌。

(3) 下部结构完好,上部结构倾覆破坏。

其中,由于车辆超重和桥梁支座设置不合理导致上部结构倾覆破坏,没有明显征兆,猝然发生极其危险,需要严格控制。

1 桥梁抗倾覆计算方法

倾覆现象可以描述为,桥梁上部结构在超重车辆偏载作用下产生的失稳倾覆力矩超过结构恒载的稳定力矩,支座反力重新分布,部分支座脱离正常的受压状态,支承体系不再提供有效约束,上部结构绕倾覆轴线发生旋转,最终形成结构扭转大变形,横向失稳垮塌,支承约束体系破坏的现象。

桥梁的倾覆过程中先后有两个特征状态[2]，如图1所示:

图1 典型破坏过程

(1) 某一单向受压支座开始脱空。

(2)箱梁的抗扭倾覆的支承体系全部失效。

在倾覆的第二特征状态中,结构变形不再符合小位移的假定,存在几何非线性影响。

对于墩梁固结的箱梁,在移动偏载的作用下,主梁处于弯剪扭的复杂状态,墩梁固结处桥墩处于偏压状态,其破坏极限是由箱梁和固结处桥墩的承载能力和受压稳定性共同控制。

为了研究不同因素对桥梁倾覆能力的影响,选择一典型弯桥项目进行倾覆验算分析,首先通过有限元计算分析软件,分别按照桥梁的不同的结构形式和支撑条件建立桥梁模型,如图2所示，计算出各个方案的支座反力及抗倾覆稳定系数。验算桥梁为(45+70+45)m变截面预应力钢筋混凝土连续梁,主梁采用C50混凝土,单箱单室截面,桥宽18 m,中跨跨中梁高2 m,支点位置梁高4 m,结构自重、混凝土收缩徐变、预应力及移动荷载等按照实际情况施加。

图2 模型轴视图

设计四种方案进行对比分析，见表1。

表1 方案对比

四种方案的计算结果见表2。

表2 抗倾覆能力表验算结果

通过对弯桥四种支座布置方案对比分析得知,当中墩采用独柱单支座形式时,计算得到的支反力验算和箱梁横向抗倾覆稳定验算均最为不利。通过增大平曲线半径、加大支座间距、中墩设置双支点均有利于提高桥梁结构的抗倾覆性能,其中中墩改设双支点后的抗倾覆能力的提升效果最好。

2 倾覆防控措施

通过以上验算结果对比和日常桥梁设计总结可以得出,影响箱梁抗倾覆性能的因素包括:横向支点数量、支点横向间距、以及平曲线半径、桥梁抗扭跨径、边中跨比等[3,4]。

桥梁的抗倾覆措施包含:

(1) 改变结构破坏模式:将跨中单支座独柱高墩改造为墩梁固结,结构受力体系复杂,因此需要按规范要求进行强度和稳定性计算;

(2) 提高结构的稳定性:加大平曲线半径、跨中独柱单支座改造为多支座,增大墩台双支座间距。这种措施不显著改变结构的受力体系,同时可以结合改造桥墩,如加宽桥墩或设置钢盖梁等来减少桥下空间的影响;

(3) 设置冗余约束:加设限位构造、抗拔装置,防止落梁和支座脱空。这种方法可以提高桥梁冗余安全性,但不提高抗倾覆性能。

3 结 论

为了避免桥梁的倾侧破坏,防止新的倾覆事件发生,可得出以下结论:

对于正在设计阶段的箱梁桥,拟定结构方案时应注意:

(1) 支座间距对梁体抗倾覆能力影响很大,桥墩宜采用横向多支座体系,支座横向间距尽量拉开。

(2) 当建设条件受限时,跨中桥墩必须采用独柱墩形式时,可采用墩梁固结形式。

(3) 桥梁端部设置限位构造和抗拔装置,防止落梁。

对于已经处于运营阶段的箱梁桥，应注意:

(1) 应加强桥梁健康监测和安全评估,根据抗倾覆性能做综合整治,独柱中墩改造方案尽量采用双支座或多支座形式;

(2) 避免超重载车和养护施工荷载密集、靠边停放。