支座的横向宽度对桥梁抗倾覆性能的影响研究.pdf

文章编号:():./.支座的横向宽度对桥梁抗倾覆性能的影响研究尹俊成(浙江工业大学 土木工程学院 杭州市)摘 要:现有规范较少考虑支座的横向宽度通常将支座视为铰接点来处理这可能导致抗倾覆稳定系数计算结果偏小 通过对温岭市西环路三联连续弯梁桥进行 建模分析探究支座横向宽度对桥梁抗倾覆稳定性的影响 研究发现独柱墩支座有限度的抗扭能力对梁桥抗倾覆稳定性有较大影响支座的横向宽度越大可抵抗的扭矩也就越大对梁桥抗倾覆稳定性的提升就越大今后独柱墩梁桥设计和在役桥梁加固分析工作可以适当考虑独柱墩支座的横向宽度对梁桥抗倾覆的有利影响从而节约造价 关键词:独柱墩梁桥支座横向宽度抗倾覆性能数值模拟中图分类号:.文献标识码:引言近年来我国桥梁建设事业迅速发展 为了改善交通状况缓解压力各地政府大量修建城市高架、立交希望建成立体交通网络 独柱墩连续桥梁结构简单占地面积小地形适应性好可以有效避开城市地下复杂管线避免地下通道的影响减轻对已建成道路的影响同时桥下行车视野开阔过往车辆可以安全行驶不会因视野不良造成交通事故该桥外形简洁美观能满足城市景观需求造价也更加低廉独柱墩桥梁具有诸多优点然而随着独柱墩连续梁桥的大量使用独柱墩倾覆事故的频繁发生也已经引起我国工程界、特别是设计人员对桥梁设计理论的思考 以前桥梁设计人员往往只关心桥梁的纵向应力分析而忽略了桥梁结构的横向应力分析甚至忽略桥梁结构的横向抗倾覆稳定性分析 因此 年发布的公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(以下简称“规范”)针对独柱墩的抗倾覆能力添加了新规定要求横向抗倾覆稳定系数不小于.除相关规范外还出台了一些专项技术要求在查阅相关规范的同时发现在独柱墩梁桥抗倾覆验算中并没有把支座当成一个面来考虑而是当成一个点这样的计算方式使独柱墩梁桥的支座只承受竖向反力不承受扭矩从而忽略了支座尺寸对桥梁横向抗倾覆的有利影响 实际上独柱墩的支座能够承担一部分扭矩 对于现有的部分独柱墩梁桥按照支座的点支承计算其不满足抗倾覆稳定性要求 但考虑支座的横向宽度后可能会满足其抗倾覆稳定性要求 文章探讨独柱墩的构造设计和精细化分析计算依托科学合理的设计提升独柱墩梁桥抗倾覆稳定性 理论分析针对独柱墩梁桥抗倾覆加固问题一种有效的方法是在独柱墩支座上增设支座形成多支撑结构这种加固方案能显著提升独柱墩梁桥的抗倾覆能力 当新增支座间距小于支座横向宽度时支座的横向宽度会对独柱墩桥梁抗倾覆稳定性产生影响王兵见等通过理论推导了支座横向宽度对桥梁抗倾覆稳定性的有利影响 庄东利认为桥梁橡胶支座的橡胶是超弹性体材料将弹性材料模拟为刚体的计算方法是不正确的 在桥梁倾覆过程中应深入研究支座的受力性能以及支座与箱梁之间的相互作用 由于在偏载作用下橡胶支座横向边缘有一定的压缩差而这个压缩差能形成一定的扭矩理论上可抵消一部分荷载产生的扭矩但抵消的多少即对抗倾覆稳定性影响的多少需要通过支座宽度模拟来分析考虑支座实际的横向宽度对抗倾覆稳北方交通 年 第 期定性的影响 传统的点支承模拟无法反映这一点此外支座的弹簧系数和间距也是影响桥梁抗倾覆稳定性的关键因素 因此在计算分析独柱墩梁桥抗倾覆稳定时可以考虑增加支座实际横向宽度和弹簧系数以得到较为准确的抗倾覆稳定性系数而不是作为安全裕度储备文章以实际工程项目为依托采用有限元分析软件对独柱墩梁桥进行抗倾覆稳定性分析通过使用点代线的方法模拟西环路板式橡胶支座的横向宽度研究板式橡胶支座横向宽度对独柱墩桥梁抗倾覆稳定性的影响 工程实例西环路二号桥为温岭市西环路工程工程全长 是分离式双向六车道城市快速路跨线立交桥道路中心平曲线半径为.其中第二联 跨全长 跨径组合为 预应力混凝土连续箱梁第三联 跨全长跨径组合为 箱梁第五联 跨全长 跨径组合为 箱梁均为有 个独柱墩的连续弯梁桥其余桥梁属于多柱支撑不属于单柱支撑在此不做研究 单幅桥面宽度为.(防撞护栏).(机动车道).(防撞护栏)桥面铺装为 沥青混凝土(/)防水层 号防水混凝土(/)防撞护栏为 /汽车荷载为城 级 独柱墩上支座为 块 板式橡胶支座拼接而成边墩上支座为 块 板式橡胶支座 图 为第二联支座布置示意图 边墩支座如图 所示图 第二联支座布置示意图 数值仿真模拟文章利用 软件对西环路梁桥的上部结构及支座进行了实体精细化建模 为了准确模拟桥梁受力情况采用梁格法建模并分析支座横向宽度对梁桥抗倾覆稳定性的影响图 独柱墩支座平面图(单位:)在进行支座建模时分别采用了通常情况下的单点支承和文章考虑支座横向宽度的多点支承 在模拟支座横向宽度的多点支承时将支座横向等分取其中心进行支座横向宽度模拟并根据支座整体的弹簧系数平均分配到各个点支撑 各点支撑仅模拟竖直方向弹簧系数和水平方向弹簧系数支座弹簧系数详见表 表 独柱墩支座多点支承弹簧系数及间距弹性连接数量 点 点 点 点竖直方向弹簧系数/(/).水平方向弹簧系数/(/).支撑间距/.采用 及 对桥梁进行抗倾覆验算按规范第.条规定持久状况下梁桥不应发生结构体系改变并应同时满足下列规定:()在作用基本组合下单向受压支座始终保持受压状态()按作用标准值进行组合时按照规范第.条取用整体式截面简支梁和连续梁的作用效应需符合式()要求:()式()中:为横桥向抗倾覆稳定性系数(简称抗倾覆系数)取.为使上部结构稳定的效应设计值为使上部结构失稳的效应设计值在模拟独柱墩支座的横向宽度时独柱墩支座采用刚性连接 弹性连接 固定支承来模拟支座的弹性连接 通过增加横向弹性连接点的数量来精确模拟支座的横向宽度 而边墩支座仅采用单点弹 年 第 期 尹俊成:支座的横向宽度对桥梁抗倾覆性能的影响研究性连接模拟西环路第二联单点弹性连接有限元模型如图 所示倾覆结果详见表、表 图 西环路第二联单点弹性连接图表 西环路第二联作用基本组合支点最小反力支座编号 是否满足最小支反力包络值/否表 西环路第二联倾覆验算 横桥向抗倾覆稳定系数最不利支座节点编号稳定效应/()失稳效应/()横桥向抗倾覆稳定系数是否满足.否.否.否.否 西环路第二联最小支反力为 抗倾覆稳定系数为.不满足规范要求 为节省篇幅文章将省略比较大小的步骤仅列出最终结果西环路第三联最小支反力为 抗倾覆稳定系数为.不满足规范要求西环路第五联最小支反力为 抗倾覆稳定系数为.不满足规范要求按规范计算西环路抗倾覆稳定系数远小于 但西环路自 年运营至今并未发生倾覆事故全桥年度桥梁检测的技术状况均为 级存在近年没有重载、超载车辆通过的原因 但为了安全起见根据要求也应尽快进行西环路或东环路独柱墩加固独柱墩弹性连接的支反力与抗倾覆稳定系数详见表 其支反力与抗倾覆稳定系数均取边跨支座最小值表 独柱墩多点支撑对桥梁抗倾覆稳定性的影响桥梁弹性连接数量 点 点 点 点第二联最小支反力包络值/横桥向抗倾覆稳定系数.第三联最小支反力包络值/横桥向抗倾覆稳定系数.第五联最小支反力包络值/.横桥向抗倾覆稳定系数.结果分析为方便查看规律绘制了多点弹性连接最小支反力与横桥向抗倾覆稳定系数曲线图如图、图 所示图 多点弹性链接最小支反力图 多点弹性链接横桥向抗倾覆稳定系数由图可知随着弹性连接点数量增加最小支反力与抗倾覆稳定系数逐渐增大 增长速度在单点弹性连接到两点弹性连接时较快这是因为单点支承未考虑支座能够抵抗一部分扭矩的影响 随后增长速度逐渐放缓说明支座的横向宽度只能抵抗有限度的扭矩在考虑支座横向宽度后西环路第二联、第五联独柱墩梁桥均能够满足规范要求 然而对于第三联连续弯梁桥从增长趋势来看边跨支座支反力仍可能为负值表明支座横向宽度只能吸收有限的扭矩 因此应该先对第三联独柱墩连续弯梁桥进行加固桥梁设计过程中支座虽然是很小的传力构件却非常重要 在独柱墩单支点横向计算时往往当作点铰支撑未考虑支座横向宽度对其横向受力影响 实际上在车辆荷载偏载作用下支座内外存在压缩差从而会形成一个横向弯矩对桥墩造成不利北方交通 年 第 期影响 某些独柱墩桥梁事故也是由于桥墩横向强度不足而弯曲破坏这也间接证明独柱墩单点支撑的支座可以吸收一部分扭矩 独柱墩支座的横向宽度越宽支座与桥墩接触面积就越大支座就可以提供更多的摩擦力用以抵抗桥梁的倾覆 因此考虑支座的横向宽度能够显著提高独柱墩桥梁抗倾覆稳定性 结论文章考虑独柱墩连续弯梁桥支座的横向宽度通过对温岭市西环路三联连续弯梁桥进行 建模分析得出如下结论:()独柱墩支座有限度的抗扭能力对梁桥抗倾覆稳定性有较大影响支座横向宽度越大可抵抗的扭矩也就越大对梁桥抗倾覆稳定性提升就越大()今后在独柱墩梁桥设计和在役桥梁加固分析中可以适当考虑独柱墩支座的横向宽度对梁桥抗倾覆的有利影响以节约造价()今后在独柱墩梁桥设计和在役桥梁加固分析中可以适当考虑独柱墩支座的横向宽度对梁桥抗倾覆的有利影响以节约造价参考文献 吴玉华 蔡若红 杨育人.独柱墩连续梁桥的稳定影响因素分析.公路工程():.万世成 黄侨.独柱墩连续梁桥偏载下的抗倾覆稳定性研究综述.中外公路():.中华人民共和国交通运输部.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范:.北京:人民交通出版社股份有限公司.王兵见 赵航 张豪等.独柱墩梁桥横向稳定计算理论与验证.中国公路学报():.庄冬利.偏载作用下箱梁桥抗倾覆稳定问题的探讨.桥梁建设():.梁甜甜.曲线梁预应力效应试验研究.重庆:重庆交通大学.().年 第 期 尹俊成:支座的横向宽度对桥梁抗倾覆性能的影响研究