獨柱支承梁式橋傾覆穩(wěn)定性分析及抗傾覆措施研究

1、北京市高級專業(yè)技術資格評審申報論文 第-18-頁題目：獨柱支承梁式橋傾覆穩(wěn)定性分析及抗傾覆措施研究摘 要目前，國內公路橋梁規(guī)范、城市橋梁規(guī)范及鐵路橋梁規(guī)范均未提及獨柱支承梁式橋傾覆穩(wěn)定性本質特征及驗算方法，也未對橋梁抗傾覆措施作出具體規(guī)定。為減免獨柱支承梁式橋傾覆事故的發(fā)生，對該類橋梁傾覆穩(wěn)定性及抗傾覆措施進行研究。根據結構受力特點及其傾覆破壞特征，獨柱支承梁式橋分為：中墩固結獨柱支承梁式橋、中墩鉸結直線獨柱支承梁式橋、中墩鉸結曲線獨柱支承梁式橋。揭示了中墩固結獨柱支承梁式橋傾覆破壞為構件強度破壞；中墩鉸結獨柱支承梁式橋傾覆破壞首先表現為邊支座脫空，然后出現中墩支座轉角超限，最終發(fā)生結構傾覆的

2、本質特征。推導了獨柱支承梁式橋傾覆穩(wěn)定性驗算方法，并通過對北京市典型橋梁傾覆穩(wěn)定性分析，發(fā)現中墩鉸結直線獨柱支承梁式橋傾覆破壞表現為邊支座脫空；中墩鉸結曲線獨柱支承梁式橋傾覆破壞表現為中墩支座轉角超限。同時對保證橋梁傾覆穩(wěn)定性的結構構造及抗傾覆措施進行了研究，得出邊墩設置抗傾覆措施對提高主梁抗傾覆能力更有效。通過上述研究，可供同類橋梁的設計及維修加固參考。關鍵詞： 獨柱支承，傾覆穩(wěn)定性，荷載系數，臨界狀態(tài)，抗傾覆措施目 錄摘 要.緒 論 .1一、獨柱支承梁式橋分類及其傾覆破壞特征研究.21、獨柱支承梁式橋分類.22、各類獨柱支承梁式橋傾覆破壞特征研究.2二、獨柱支承梁式橋傾覆穩(wěn)定性驗算方法.4

3、1、傾覆臨界狀態(tài)的確定.42、中墩鉸接獨柱支承梁式橋傾覆穩(wěn)定性驗算方法.53、穩(wěn)定驗算的初始狀態(tài).6三、北京市獨柱支承梁式橋傾覆穩(wěn)定性研究.71、典型研究模型的選取.72、傾覆穩(wěn)定性分析結果.7四、抗傾覆措施研究. .131、抗傾覆措施原則.132、抗傾覆措施抗傾覆能力分析.14結 論. .16參考文獻. .18-18-緒 論隨著我國現代交通運輸業(yè)迅速發(fā)展，高速公路、城市立交橋和高架橋的大量建設，具有理想凈空及透視度的獨柱支承梁式橋在立交匝道中得到廣泛采用。但由于獨柱墩在橫橋向采用單支點支撐，在汽車偏載作用下，對結構的橫向抗傾覆穩(wěn)定非常不利1。目前我國的橋梁設計工作者關注的重點多集中于橋梁的抗

4、彎、抗剪承載能力方面，對橋梁結構的整體穩(wěn)定性關注不足，再加上規(guī)范對結構整體傾覆穩(wěn)定性驗算規(guī)定的缺失，以及嚴重超載、超限車輛的通行，導致了多起橋梁傾覆事故的發(fā)生，造成了巨大的經濟損失和極其惡劣的社會影響。我國現行的公路橋梁規(guī)范對橋梁傾覆穩(wěn)定性沒有相關規(guī)定，處于空白狀態(tài)；現行城市橋梁設計規(guī)范提出了保證橋梁整體穩(wěn)定性的要求，但未給出明確的驗算方法；現行鐵路橋梁設計規(guī)范規(guī)定“梁式橋跨結構在計算荷載最不利組合作用下，橫向傾覆穩(wěn)定數不應小于1.3”，并給出了具體的驗算方法，但由于獨柱支承梁式橋與鐵路橋梁結構特征的差異性，上述方法對其適用性不強。本文通過對北京市獨柱支承梁式橋傾覆穩(wěn)定性研究，發(fā)現各類獨柱支承

5、梁式橋傾覆破壞的本質特征，從而制定出適用于驗算獨柱支承梁式橋傾覆穩(wěn)定性的方法。同時對有效提高橋梁傾覆穩(wěn)定性的抗傾覆措施進行了研究，可供同類橋梁的設計及維修加固參考。一、獨柱支承梁式橋分類及其傾覆破壞特征研究1、獨柱支承梁式橋分類根據獨柱支承梁式橋受力特點及其傾覆破壞特征，可將其分為3種類型： 中墩與主梁間固結的獨柱支承梁式橋，簡稱中墩固結獨柱支承梁式橋； 中墩與主梁間采用支座連接的直線獨柱支承梁式橋，簡稱中墩鉸接直線獨柱支承梁式橋； 中墩與主梁間采用支座連接的曲線獨柱支承梁式橋，簡稱中墩鉸接曲線獨柱支承梁式橋。2、各類獨柱支承梁式橋傾覆破壞特征研究中墩固結的獨柱支承的梁式橋，在偏心荷載作用下，

6、隨著主梁扭轉效應的增加，墩柱及基礎所受橫向彎矩及水平剪力逐漸增大，當其內力超出其承載力時，墩柱或基礎發(fā)生破壞，從而導致主梁傾覆。中墩固結獨柱支承梁式橋其傾覆穩(wěn)定性主要依賴于中墩及基礎的受力性能2，此類橋梁傾覆穩(wěn)定性的驗算最終歸結為中墩及其基礎的強度及穩(wěn)定性驗算，可按照公路規(guī)范的荷載組合及相應驗算內容執(zhí)行。中墩鉸接直線獨柱支承梁式橋，在偏心荷載作用下，隨著主梁扭轉效應的增加，邊支座出現脫空，導致主梁支承體系發(fā)生變化，隨著荷載的進一步增加，結構轉化為機構，無法再次形成平衡狀態(tài)，從而發(fā)生傾覆破壞。中墩鉸接直線獨柱支承梁式橋在整個傾覆過程中主梁旋轉軸基本不變，邊支座脫空后經過很短的歷程即發(fā)生整體傾覆破

7、壞。恒載作用結構受力示意圖偏載作用結構受力示意圖圖1-1 中墩鉸接直線獨柱支承梁式橋傾覆受力示意中墩鉸接曲線獨柱支承梁式橋，在偏心荷載作用下，隨著主梁扭轉效應的增加，邊支座首先出現脫空，結構主梁支承體系發(fā)生變化，但隨著荷載的進一步增加，結構旋轉軸發(fā)生變化，從而形成新的平衡狀態(tài)，當荷載增量導致不能再次形成平衡狀態(tài)、或因中墩支座破壞導致結構構件出現強度破壞時，橋梁發(fā)生整體傾覆。一般情況下，中墩支座破壞較早發(fā)生，通過對支座性能研究，當支座豎向轉角大于0.03 rad時3，可認為支座已經破壞。恒載作用結構受力示意圖偏載作用結構受力示意圖圖1-2 中墩鉸接曲線獨柱支承梁式橋傾覆受力示意二、獨柱支承梁式橋

8、傾覆穩(wěn)定性驗算方法1、傾覆臨界狀態(tài)的確定（1）中墩固結獨柱支承梁式橋由于中墩固結獨柱支承梁式橋其傾覆穩(wěn)定性主要依賴于中墩及其基礎的受力性能，此類橋梁傾覆穩(wěn)定性的驗算最終歸結為中墩及其基礎的強度及穩(wěn)定性驗算，因此可按照公路規(guī)范的荷載組合及相應驗算內容執(zhí)行，設計時應充分重視由于墩柱與主梁固結造成的墩柱附加內力，確保在正常使用條件下的結構受力安全。（2）中墩鉸接獨柱支承梁式橋通過1.2節(jié)分析可知，中墩鉸接獨柱支承梁式橋的傾覆破壞均首先表現為邊墩支座脫空，然后出現中墩支座轉角超限，最終發(fā)生結構整體傾覆。雖然中墩支座轉角超限后，結構并沒有整體傾覆，但結構狀態(tài)已很難把握，計算模擬困難，因此為保證結構安全、

9、便于實際操作，將結構傾覆過程中結構體系發(fā)生變化的兩個確定狀態(tài)，即邊墩支座出現脫空和中墩支座轉角達到0.03rad作為中墩鉸接獨柱支承梁式橋的傾覆臨界狀態(tài)，其中邊墩支座出現脫空為第一傾覆臨界狀態(tài)，中墩支座轉角達到0.03rad為第二傾覆臨界狀態(tài)。2、中墩鉸接獨柱支承梁式橋傾覆穩(wěn)定性驗算方法結構傾覆穩(wěn)定性一般可按如下公式進行驗算4： （2-1）式中，K為傾覆穩(wěn)定安全系數；為結構抗傾覆力矩；為結構傾覆力矩。對于確定的獨柱支承梁式橋而言，其抗傾覆能力為確定值，但結構傾覆效應組成極為復雜，尤其對于曲線橋，自重、二期恒載、預應力荷載、混凝土收縮、徐變及溫度效應等空間力系均會產生傾覆矩，因此按上述公式驗算獨

10、柱支承梁式橋的傾覆穩(wěn)定性可操作性差，且對于已有結構，驗算結果也缺乏實際指導意義。實際工程應用中，正常使用階段結構承載汽車荷載和施工階段結構承載某種偏心荷載的能力是從業(yè)人員最為關注的問題。若定義結構在除驗算荷載外的其他荷載作用下的受力狀態(tài)為傾覆穩(wěn)定驗算初始狀態(tài)，從而研究正常使用階段汽車荷載和施工階段某種偏心荷載在對應初始狀態(tài)上的傾覆穩(wěn)定性具有重大意義。上述方法不但可反應結構的實際抗傾覆性能，且能有效簡化計算，增加驗算方法的可操作性。據此，獨柱支承梁式橋傾覆穩(wěn)定性驗算公式可演化為： （2-2） （2-3） （2-4）式中，k為結構在驗算荷載下的傾覆穩(wěn)定安全系數；為傾覆臨界狀態(tài)結構抗傾覆力矩；為初始

11、狀態(tài)結構傾覆力矩；為驗算荷載傾覆力矩；為考慮初始傾覆效應后，傾覆臨界狀態(tài)下結構抗傾覆力矩。獨柱支承梁式橋達到本文定義的傾覆臨界狀態(tài)時，結構仍處于小變形范疇，驗算荷載與傾覆效應間存在一一對應關系，為進一步簡化計算，式2-4可轉化為如下形式： （5）式中，k為結構在驗算荷載下的傾覆穩(wěn)定安全系數；Sp為傾覆最不利荷載工況的規(guī)范汽車荷載；Sq為考慮初始傾覆效應后，導致結構出現傾覆臨界狀態(tài)的的最大汽車荷載。3、穩(wěn)定驗算的初始狀態(tài)當驗算一種或幾種偏心荷載作用下結構的穩(wěn)定性時，對結構初始狀態(tài)的把握至關重要，初始狀態(tài)出現偏差將直接導致得出錯誤的驗算結論，給結構安全帶來隱患。獨柱支承梁式橋的傾覆穩(wěn)定為空間受力行

12、為，尤其對于曲線梁橋，自重、二期恒載、混凝土收縮、徐變、預應力荷載及溫度效應所產生的扭矩和扭轉變形對結構傾覆穩(wěn)定性影響較大，因此驗算時必須根據實際結構建立空間模型，準確模擬其力學行為。三、北京市獨柱支承梁式橋傾覆穩(wěn)定性研究1、典型研究模型的選取北京市內立交眾多，相應其定向匝道中的獨柱支承梁式橋數量巨大，根據調查得到北京市五環(huán)內（含五環(huán)）的典型獨柱支承橋梁400余聯(lián)，分別對上述橋梁就一聯(lián)跨數、聯(lián)長、主梁形式、橋寬、平曲線半徑、中墩與主梁連接形式進行數據統(tǒng)計5。 根據統(tǒng)計結果，選擇2個具有代表性的橋梁結構進行傾覆穩(wěn)定性研究。模型1：25 m+35 m+25 m預應力混凝土橋；模型2：30.5 m+

13、42m+42 m+30.5 m預應力混凝土橋。2個模型橋梁中支承均采用固結或者盆式橡膠支座、邊中跨比為0.7；橋梁寬度分別取8，9，10 m；邊支承間距分別取3.3，3.7，4.2，4.5 m；橋梁平曲線半徑分別取90，150，250 m、直線。2、傾覆穩(wěn)定性分析結果（1）中墩固結獨柱支承梁式橋分析結果對于中墩固結獨柱支承梁式橋，傾覆穩(wěn)定性驗算以考察結構中墩及其基礎的承載能力為主。獨柱支承梁式橋多以1、2車道+應急車道為主，其對應寬度為8m10m，上部結構計算時加載車道數約為2.5。從承載能力匹配、協(xié)調出發(fā)，初擬汽車偏載加載量為導致中墩最大彎矩趨勢規(guī)范規(guī)定的一列車隊荷載的2.5倍，固結墩彎矩結

14、果見圖3-1、圖3-2。圖3-1、圖3-2中R為平曲線半徑、B為橋梁寬度、L為邊支承間距。通過圖3-1、圖3-2中數據進行總結，可以得出如下結論： 中墩固結獨柱支承梁式橋傾覆穩(wěn)定性主要依賴于固結墩及基礎的受力性能，偏心荷載作用下固結墩產生較大的彎矩、剪力，設計時應充分重視； 相同條件下固結墩橫向彎矩隨著橋面寬度的增大而增加，且趨勢顯著；隨邊支承間距的增大而減小，但趨勢不顯著，總體而言，窄橋傾覆穩(wěn)定性優(yōu)于寬橋； 對于偶數跨中墩固結獨柱支承梁式橋，直線橋固結墩橫向彎矩小于曲線橋； 對于奇數跨中墩固結獨柱支承梁式橋，固結墩橫向彎矩絕對值隨曲線半徑的減小而增加； 相同條件下，固結墩內力隨結構聯(lián)長的增加

15、而增加。（2）中墩鉸接獨柱支承梁式橋分析結果利用本文2.2節(jié)提出的驗算方法對典型模型進行計算分析，得出其在不同參數取值、兩個傾覆臨界狀態(tài)下汽車荷載的傾覆穩(wěn)定安全系數，結果見表3-1、圖3-3、圖3-4。表3-1 典型模型1、2穩(wěn)定性驗算結果曲線半徑R橋梁寬度B（m）邊支撐間距L（m）安全系數典型模型1典型模型2第1傾覆臨界狀態(tài)第2傾覆臨界狀態(tài)第1傾覆臨界狀態(tài)第2傾覆臨界狀態(tài)直線橋83.31.52.01.51.73.71.72.31.72.04.22.02.51.82.24.52.22.72.02.593.31.31.51.21.53.71.41.81.41.64.21.52.11.61.94.

16、51.62.31.72.1103.31.11.41.01.23.71.21.71.21.44.21.41.81.31.64.51.52.01.41.9R25083.31.51.80.81.53.71.82.11.01.74.22.12.41.32.04.52.32.61.52.293.31.31.40.71.13.71.41.70.91.34.21.71.91.01.54.51.82.11.21.7103.31.11.30.41.03.71.11.40.61.24.21.31.60.81.44.51.51.71.01.4R15083.31.22.41.03.03.71.42.61.23.04.

17、21.62.81.53.04.51.83.01.73.093.31.11.90.82.03.71.32.00.82.44.21.52.21.02.54.51.62.31.23.0103.30.81.60.52.03.71.01.70.72.24.21.21.90.92.34.51.32.01.02.3R9083.31.13.00.83.03.71.33.01.03.04.21.53.01.23.04.51.73.01.53.093.30.83.00.53.03.71.03.00.73.04.21.23.00.93.04.51.33.01.13.0103.30.63.00.33.03.70.83

18、.00.53.04.21.03.00.73.04.51.23.00.83.0 （a）直線橋驗算結果 （b）平曲線半徑250m驗算結果 （c）平曲線半徑150m驗算結果 （d）平曲線半徑90m驗算結果圖3-3 典型模型1傾覆穩(wěn)定性驗算結果 （a）直線橋驗算結果 （b）平曲線半徑250m驗算結果 （c）平曲線半徑150m驗算結果 （d）平曲線半徑90m驗算結果圖3-4 典型模型2傾覆穩(wěn)定性驗算結果表3-1、圖3-3、圖3-4中R為平曲線半徑、B為橋梁寬度、L為邊支承間距。通過表3-1、圖3-3、圖3-4中數據進行總結，可以得出如下結論： 邊支承間距一定時，橋梁傾覆穩(wěn)定安全系數隨著橋面寬度的增加而減

19、??；橋面寬度一定時，橋梁傾覆穩(wěn)定安全系數隨邊支承間距的增加而增加； 中墩鉸接獨柱支承梁式橋，第一傾覆臨界狀態(tài)下汽車荷載的傾覆穩(wěn)定安全系數隨著聯(lián)長的增加而降低； 中墩鉸接直線獨柱支承梁式橋，第二傾覆臨界狀態(tài)下汽車荷載的傾覆穩(wěn)定安全系數隨著聯(lián)長的增加而降低；中墩鉸接曲線獨柱支承梁式橋，第二傾覆臨界狀態(tài)下汽車荷載的傾覆穩(wěn)定安全系數隨著聯(lián)長的增加而增加； 相同條件下，中墩鉸接直線獨柱支承梁式橋第一傾覆臨界狀態(tài)下汽車荷載的傾覆穩(wěn)定安全系數大于中墩鉸接曲線獨柱支承梁式橋，但第二傾覆臨界狀態(tài)下汽車荷載的傾覆穩(wěn)定安全系數小于中墩鉸接曲線獨柱支承梁式橋； 中墩鉸接直線獨柱支承梁式橋，從第一傾覆臨界狀態(tài)到第二傾覆

20、臨界狀態(tài)的荷載增量不大，可認為邊支座出現脫空即意味著橋梁傾覆事故的出現，此類橋梁應以控制結構的第一傾覆臨界狀態(tài)為主。 中墩鉸接曲線獨柱支承梁式橋，從第一傾覆臨界狀態(tài)到第二傾覆臨界狀態(tài)的荷載增量較大，邊支座出現脫空到橋梁傾覆事故的發(fā)生需經歷較長的荷載增加歷程，此類橋梁應以控制結構的第二傾覆臨界狀態(tài)為主。四、抗傾覆措施研究1、抗傾覆措施設置原則橋梁傾覆類似于結構的“脆性”破壞，防范困難，一旦發(fā)生將造成巨大的經濟損失和惡劣的社會影響。為避免橋梁傾覆事故的發(fā)生，在正常使用階段，管理單位應嚴格限制車輛的超載運營；前期設計階段，設計人員應充分重視此類橋梁的傾覆穩(wěn)定問題，除要求結構自身具有足夠的傾覆穩(wěn)定安全

21、度外，還應采取必要的抗傾覆措施，提高橋梁抗整體傾覆能力，同時發(fā)揮警示功能，變“脆性破壞”為“延性破壞”?？箖A覆措施一般有拉力支座、上下部連接裝置及其他結構構造措施。對于抗傾覆能力先天不足的橋梁形式，在設計時應盡量加大邊支承的間距，并且邊墩應采用雙支座形式，當主梁懸臂較大時，可將邊橫梁伸出箱室以加大支承間距。2、抗傾覆措施抗傾覆能力分析為研究抗傾覆措施對橋梁抗傾覆能力的提高程度，本文對3.1節(jié)提到的典型模型（直線橋）在設置抗傾覆措施前后的傾覆穩(wěn)定性做了分析?？箖A覆措施采用上下部連接裝置，具體構造見圖4-1，其單個豎向承載能力為700kN，分別按中墩、邊墩處設置一對考慮，其中墩處兩裝置設置間距為1

22、.9m，邊墩處設置間距同邊支承間距。計算結果見圖4-2、圖4-3。圖4-1 上下部連接裝置示意圖（單位mm） （a）模型一計算結果 （b）模型二計算結果圖4-2 中墩設置抗傾覆措施前后傾覆穩(wěn)定性對比 （a）模型一計算結果 （b）模型二計算結果圖4-3 邊墩設置抗傾覆措施前后傾覆穩(wěn)定性對比從圖4-1、圖4-2中數據可知，對于獨柱支承梁式橋，當采用上下部連接裝置類的抗傾覆措施時，應在邊墩處設置，中墩設置對結構傾覆穩(wěn)定性貢獻不大，且相同條件下，邊墩處布置間距越大，對結構抗傾覆能力的貢獻越大。結 論橋梁傾覆破壞為瞬時行為，類似于結構“脆性”破壞，防范困難、經濟損失大，且會造成非常惡劣的社會影響，應引起從業(yè)人員的高度重視。本文通過對獨柱支承梁式橋傾覆穩(wěn)定性及抗傾覆措施的研究得出以下結論及建議：（1）邊支承間距一定時，橋梁傾覆穩(wěn)定性隨著橋面寬度的增加而減小，且趨勢明顯；橋面寬度一定時，橋梁傾覆穩(wěn)定性隨邊支承間距的增加而增加，但其增加趨勢較緩； （2