橋梁整體抗滑傾覆穩(wěn)定性失效分析獲獎科研報告

橋梁整體抗滑傾覆穩(wěn)定性失效分析獲獎科研報告摘

要：近年來，我國因整體失穩(wěn)而發(fā)生的多起類似梁橋破壞事故相繼發(fā)生，其失穩(wěn)的關(guān)鍵因素是傾覆。然而，梁橋滑動此類不尋常的整體失穩(wěn)破壞模式，卻很少被提及，本文主要就梁橋整體抗滑傾覆穩(wěn)定性進行分析。因此，本文首先對梁橋上通過的偏心重型車輛的響應(yīng)進行了評估。其次，本文分析了滑坡和傾覆的整體失穩(wěn)過程。為了實現(xiàn)這兩個目標(biāo)，筆者采用模型和方法分析梁橋的動力響應(yīng)。分析結(jié)果表明，破壞開始于隆升，結(jié)束于滑動，而不是剛體翻轉(zhuǎn)。根據(jù)數(shù)值分析的結(jié)果，討論了軸承的規(guī)格限制和摩擦系數(shù)。

關(guān)鍵詞：梁橋，抗滑，穩(wěn)定性，失效

1.前言及背景分析

例舉我國有因整體失穩(wěn)而導(dǎo)致梁橋事故發(fā)生的事故4起。2011年，浙江春暉大橋因4輛總重389.3噸的貨車垮塌。第二年，當(dāng)四輛超載的卡車在右側(cè)甲板上行駛時，哈爾濱的一鋼-混凝土組合梁從橋墩上滑落到地面上。2015年，廣東省再次發(fā)生了與浙江省相同的坍塌事故。2016年，上海中環(huán)線簡支梁發(fā)生轉(zhuǎn)動和滑移，幸運的是沒有發(fā)生其他的意外坍塌事故。

對上述四起事故的調(diào)查最終都得出結(jié)論：車輛超載;這些事故中的橋梁有五個共同特征：

（1）整體箱梁橋;（2）大半徑的直梁或水平彎梁;（3）在同一甲板側(cè)行駛或者停留的重型車輛;

（4）多跨倒塌橋梁多為單柱墩單支座、梁端雙支座間距離較短的多跨倒塌橋梁;（5）整體失穩(wěn)的相似破壞模式有滑動和傾覆。

梁橋在車輛荷載偏心作用下，特別是滑移和傾覆作用下的整體穩(wěn)定性是設(shè)計過程中必須考慮的問題。例如，EN1990給出的整體穩(wěn)定性受到結(jié)構(gòu)受靜載影響的極限狀態(tài)，并應(yīng)驗證為結(jié)構(gòu)靜力平衡的損失。類似地，我國的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)也要求一些相關(guān)的規(guī)定。SIA260標(biāo)準(zhǔn)明確了結(jié)構(gòu)在四種極限狀態(tài)下的整體抗滑、抗傾覆、抗隆起穩(wěn)定性。我國公路橋規(guī)范中引入了大于2.5的穩(wěn)定性系數(shù)的傾覆案例。施工規(guī)范中強調(diào)，當(dāng)豎向荷載小于豎向承載力的20%時，不應(yīng)采用多回轉(zhuǎn)軸承。同樣，我國鐵路橋梁規(guī)范要求軸承的最小壓應(yīng)力應(yīng)大于2mpa。

部分學(xué)者使用ANSYS對一座倒塌的箱梁橋進行了有限元模型研究偏心重型車輛下的破壞機制。他們發(fā)現(xiàn)坍塌是由傾覆的不穩(wěn)定性和材料的強度失效引起的，數(shù)值分析結(jié)果中水平力與崩塌方向明顯相反。為預(yù)測單柱墩橋的傾覆荷載，有些學(xué)者提出了一種簡單的分析方法，核心思想仍然是基于剛體原理，且考慮了軸承摩擦的影響。部分學(xué)者認(rèn)為傾覆軸是橋梁兩個支座之間的一條直線。卻很少有人關(guān)注車輛在破壞過程中的滑動問題。因此，本文不僅研究其結(jié)構(gòu)，還分析了偏心重型車輛通過梁橋時整體滑移和傾覆失穩(wěn)過程。還討論軸承規(guī)格限制和摩擦系數(shù)選擇。

2.橋梁數(shù)值模型

為了研究結(jié)構(gòu)失效的原因，特別是對偏心重型車輛過橋時鋼筋混凝土梁橋倒塌前的行為進行了研究，在現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上，建立了三維非線性有限元分析模型。在本研究中，我們采用了一種循序漸進的方法，并在發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析方法的理論基礎(chǔ)上，在其中發(fā)現(xiàn)了梁在移動荷載作用下的動態(tài)響應(yīng)。

在研究分析中，我們對春暉大橋做了詳細(xì)三維非線性有限元模型。該模型采用梁單元對梁、墩、樁、承臺進行模擬，并總結(jié)了其性能。采用鉆孔取心法測定主梁和墩柱的混凝土抗壓強度，并根據(jù)測得的強度計算其模量，其余均來源于設(shè)計文件和規(guī)范。同時，梁與軸承之間采用剛性連接單元。

春暉E匝道橋上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)之間的連接采用彈性層壓軸承、側(cè)擋塊和銷釘進行。一般而言，不受任何張力的彈性層壓軸承為上部結(jié)構(gòu)提供了垂直和扭轉(zhuǎn)約束，以及水平力作用下的剛度，如風(fēng)荷載或地震力。類似地，側(cè)擋和銷釘?shù)脑O(shè)計是為了抵抗地震力的水平力，并限制水平位移。

3.非線性彈簧單元模型

采用非線性彈簧單元模型對彈性層壓軸承、側(cè)擋圈和銷釘進行了建模。并分別計算彈性層壓軸承的豎向剛度（KV）和水平剛度（KH）。同時，在庫侖摩擦模型的基礎(chǔ)上，考慮了軸承在水平方向上的滑動行為。

采用多線性外剪鍵力-位移關(guān)系模型簡化了側(cè)向擋塊的性能。雖然該模型是基于支撐-拉桿機構(gòu)建立的橋臺外剪鍵模型，但在理論上也適用于橋臺內(nèi)剪鍵。此外，抗側(cè)力（HV=HVc+HVs）由兩部分組成：混凝土和鋼筋。模型的各級位移取決于側(cè)擋塊的大小、配筋發(fā)展的長度、開裂區(qū)域的長度和鋼應(yīng)變。

4.數(shù)值分析

在本研究分析中，車輛速度對橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響不是主要關(guān)注的問題。因此，我們在分析中將車速設(shè)為1m/s，利用車輛從橋臺（A0）開始的行駛距離（vt）來確定車輛在橋面上的位置。

4.1梁的傾覆

由于扭轉(zhuǎn)角或梁的表觀扭轉(zhuǎn)形狀是反映傾覆響應(yīng)的關(guān)鍵位移參數(shù)，通過有限元分析得到春暉E匝道大橋的扭轉(zhuǎn)角，當(dāng)行駛距離為0m～20m時，扭轉(zhuǎn)角很小，P1處最大值僅為0.001rad。與此同時，所有軸承都處于明顯的壓縮狀態(tài)。在第1階段，左側(cè)支座的反作用力減小到0.6kN;右支座反力增加到1692.6kN;P1墩反力增加到3835.2kN，其他方面基本不變;增量和約為貨車總重T1。

當(dāng)掘進距離為20m～32m（二期）時，橋臺左軸承失效，梁扭轉(zhuǎn)角緩慢增大，在A0和P1處的最大值為0.009rad。在第二階段，左支座的反作用力減小到0kN，而其他支座的反作用力繼續(xù)保持與第一階段相同的趨勢。當(dāng)行駛距離為32m～90m（三期）時，A0、P6左軸承停止工作，梁的扭轉(zhuǎn)角達到峰值（約0.28rad）。P1、P2、P4和P5的反作用力變化明顯。在第三階段，扭轉(zhuǎn)角的正切值超過了摩擦系數(shù);當(dāng)行駛距離為82米時，P1和P5的軸承停止工作。然而，梁在扭轉(zhuǎn)方向（Rx）仍然保持穩(wěn)定。從技術(shù)上講，不會發(fā)生傾覆，扭轉(zhuǎn)角也不會超過90度。

4.2梁的滑動

由相關(guān)計算公式可計算出橫向滑移阻力（Hi），并可以看出，A0和P6處的橫向滑移電阻在第三相繼續(xù)增大。這是由于純PTFE潤滑的彈性層壓軸承的扭轉(zhuǎn)角的切向值大于摩擦系數(shù)。而其它支座的橫向滑移阻力較小，甚至為零。

因此，梁在支座處有橫向位移。梁在第一和第二階段沒有滑移。在第三階段，當(dāng)掘進距離為32m～50m時，梁與右支擋在橋臺處間隙減小到0cm。梁在A0、P1、P2處的橫向受側(cè)塞約束。在滑移失穩(wěn)前，P1處的橫向滑移位移小于15mm。梁在P4、P5、P6處的橫向位移繼續(xù)增大。最后，當(dāng)車輛行駛到88m時，P6處梁的橫向位移大于150mm，此時梁由于滑移而失穩(wěn)。

5.結(jié)論

春暉E匝道大橋垮塌現(xiàn)場調(diào)查后，采用非線性有限元方法對車輛過橋的全過程進行了模擬分析。用數(shù)值模型重新計算了力和位移的響應(yīng)曲線。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)值分析，最后提出下列結(jié)論：

（1）動力響應(yīng)非線性分析的一般方法—逐步分析法是評價梁橋整體穩(wěn)定性的有效方法。特別是通過數(shù)值分析得到了整個過程的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

（2）考慮梁的變形和非線性邊界條件的橫向防滑平衡方程;可用于梁的滑動穩(wěn)定性評價。

（3）春暉e-匝道大橋的分析結(jié)果表明，橋梁的破壞開始于支座和支座的抬升以