獨(dú)柱墩梁橋超載及偏載傾覆破壞的有限元分析

獨(dú)柱墩梁橋超載及偏載傾覆破壞的有限元分析

這座橋是一個(gè)重要的生命線節(jié)點(diǎn)工程。自該橋開始建設(shè)以來，它受到了各種載荷和環(huán)境變化的影響，橋梁坍塌，造成嚴(yán)重的人員破壞和經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),近6a來國內(nèi)倒塌的獨(dú)柱墩橋梁就有4座,如表1所示。以上表中浙江省上虞市境內(nèi)的春暉立交橋?yàn)槔?該引橋處一聯(lián)6跨,總長度120m,5個(gè)橋墩發(fā)生連續(xù)倒塌。事故造成引橋上4輛貨車側(cè)翻,3人輕微傷。國內(nèi)很多學(xué)者對結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌進(jìn)行了分析計(jì)算,目前常用的方法主要有有限元軟件仿真法和離散單元法。陸新征、顧祥林采用有限元程序?qū)Y(jié)構(gòu)倒塌進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和仿真,研究結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理。許鎮(zhèn)等結(jié)合有限元分析和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),真實(shí)還原橋梁倒塌事故現(xiàn)場,分析倒塌原因并進(jìn)行構(gòu)件重要性評價(jià)。劉海卿等、谷音等分別損傷指數(shù)和整體強(qiáng)勁性法對結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌進(jìn)行了研究,這些研究為橋梁結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌研究提供了有益參考。對于獨(dú)柱墩梁橋抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算,《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60-2004)中3.5.8條和《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62-2004)中第9.7.4條中均只有禁止支座脫空的描述。在我國現(xiàn)行的公路橋梁規(guī)范中,未見對橫向傾覆穩(wěn)定性有相關(guān)規(guī)定。鐵道部《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.3-2005)中的第4.1.1條對橫向傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算規(guī)定如下:在計(jì)算荷載最不利組合作用下,橋跨結(jié)構(gòu)的橫向傾覆穩(wěn)定系數(shù)不應(yīng)小于1.3。可以將上述規(guī)定理解為偏載條件下汽車超載30%時(shí),傾覆力矩達(dá)到臨界值。在鐵路橋梁中超載尚不嚴(yán)重,但在公路汽車荷載中,車輛超載2~3倍較為常見,根據(jù)可靠度理論,通過分項(xiàng)系數(shù)對材料強(qiáng)度折減并對外荷載放大,結(jié)構(gòu)實(shí)際受彎或受剪承載力可達(dá)設(shè)計(jì)荷載的3~4倍。因此,在抗傾覆穩(wěn)定承載力沒有明顯提高的情況下,獨(dú)柱墩梁橋在超載和偏載作用下往往發(fā)生上部結(jié)構(gòu)傾覆破壞。Hambly研究了基于結(jié)構(gòu)重量、高度和傾覆力臂的傾覆安全因子;Li根據(jù)車輛傾覆模型,研究了車輛橫向偏移對橋梁的影響;梁峰針對不同曲率的獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁橋,分別推導(dǎo)出了三種形狀橋梁的抗傾覆和對應(yīng)的最小支座間距計(jì)算公式;李盼到等通過對國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范汽車荷載的比較,提出適用于驗(yàn)算獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆的汽車荷載模式;黃國勇等通過實(shí)例分析,針對獨(dú)柱墩梁橋抗傾覆提出了相關(guān)驗(yàn)算分析方法;袁攝楨等采用空間剪力柔性梁格法對工程實(shí)例進(jìn)行建模計(jì)算,并提出橫向傾覆穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算的簡化方法。以上研究大多將上部結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算的轉(zhuǎn)動軸定義在端支座連線上,或忽略支座大小對結(jié)果的影響,未明確提出獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆極限荷載的有效計(jì)算方法。鑒于此,本文以浙江上虞春暉大橋?yàn)檠芯繉ο?定義了上部結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆過程中的兩個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)和三個(gè)階段,同時(shí)采用考慮接觸非線性和幾何非線性的ABAQUS有限元模型進(jìn)行數(shù)值分析,對獨(dú)柱墩梁橋傾覆破壞機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究。1浙江上虞春橋工程結(jié)構(gòu)與坍塌現(xiàn)場分析1.1梁橋橋墩概況2011年2月,上虞春暉大橋發(fā)生倒塌,課題組成員第一時(shí)間趕到現(xiàn)場,采用攝影測量和三維激光掃描采集現(xiàn)場倒塌殘骸一手?jǐn)?shù)據(jù)。上虞春暉大橋是一聯(lián)6跨的連續(xù)梁橋,每跨跨徑20m,總長120m,縱坡度3.5%,橋墩直徑1.1m,橋墩高度依次為2.8m、3.5m、4.2m,4.9m,5.6m,6.3m和7m,采用單向雙車道,橋面寬8m,兩端采用雙柱墩,中間全部采用獨(dú)柱墩。上虞春暉橋平面圖及橋墩編號如圖1所示:據(jù)調(diào)查4輛超載汽車載重量分別為28.52t,124.44t,125.6t和110.73t,輕車在內(nèi)側(cè),3輛重車以較低速度從外側(cè)經(jīng)過時(shí)造成橋梁倒塌。1.2資源整合過程與橋墩與箱梁接觸的方式通過分析倒塌現(xiàn)場殘骸,橋墩破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為以受彎為主的壓彎型破壞,橋墩頂部自2號橋墩到6號橋墩,均發(fā)生了42°~48°的沖切型破壞,如圖2所示。由于無法確定橋墩頂部破壞是箱梁滑動后形成的,還是在超載和偏載作用下局部受壓形成的,本研究進(jìn)一步比對了橋墩和箱梁底部的接觸痕跡,如圖3所示。從圖3中可以發(fā)現(xiàn),發(fā)生破壞后橋墩與箱梁底部接觸痕跡很明顯,但是劃痕非常淺,由此可以判斷,在箱梁傾覆發(fā)生后的較短時(shí)間內(nèi),橋墩發(fā)生了破壞。因此,可以推斷箱梁在偏載作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動,當(dāng)轉(zhuǎn)動到一定角度時(shí),箱梁底部與墩頂接觸,對橋墩產(chǎn)生過大的局部壓力而破壞。簡而言之,在箱梁發(fā)生臨界傾覆前,可以認(rèn)為橋墩沒有發(fā)生破壞。(2)箱梁破壞形態(tài)箱梁的破壞原因可能有以下兩種:其一是在橋墩倒塌后,在超載車作用處發(fā)生彎型破壞;其二是箱梁在下落過程中,由于高墩處箱梁下落時(shí)間長,水平位移大,較低橋墩處箱梁落地后,地面對箱梁進(jìn)行約束,而高墩處箱梁仍在運(yùn)動,箱梁的側(cè)向運(yùn)動導(dǎo)致箱梁中部出現(xiàn)破壞。從圖4可以看出,箱梁發(fā)生傾覆破壞時(shí),箱梁與橋墩發(fā)生接觸,通過分析該接觸碰撞痕跡,發(fā)生破壞前箱梁的運(yùn)動趨勢主要是沿水平轉(zhuǎn)動,端部未發(fā)現(xiàn)有彎曲破壞發(fā)生后沿橋梁縱軸線的移動。因此,可以確認(rèn)上部結(jié)構(gòu)在橋墩傾覆前并沒有發(fā)生大的彎曲破壞,結(jié)構(gòu)在傾覆前保持完好,后續(xù)論文圍繞上部結(jié)構(gòu)先發(fā)生傾覆展開。2傾覆破壞機(jī)理提出的背景為研究上部結(jié)構(gòu)倒塌過程,需要明確倒塌過程的相關(guān)關(guān)鍵狀態(tài)并建立相應(yīng)的倒塌破壞階段,在此基礎(chǔ)上,本研究依據(jù)春暉大橋傾覆倒塌機(jī)理,提出了關(guān)鍵狀態(tài)對應(yīng)的臨界荷載,從而為獨(dú)柱墩梁橋的傾覆破壞機(jī)理分析奠定基礎(chǔ)。2.1傾覆極限狀態(tài)在獨(dú)柱墩梁橋的倒塌過程中,橋梁繞中支座上的某點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動,該轉(zhuǎn)動軸不斷發(fā)生變化,具體如圖5所示:鑒于此,本文定義以下兩個(gè)關(guān)鍵狀態(tài):(1)一側(cè)端支座脫空狀態(tài):偏載作用另一側(cè)兩個(gè)端支座同時(shí)反力為零,或一個(gè)為零另外一個(gè)負(fù)值。(2)傾覆穩(wěn)定極限狀態(tài):當(dāng)箱梁轉(zhuǎn)動線接近支座邊緣時(shí),轉(zhuǎn)動線達(dá)到極限位置,不能再向外側(cè)移動,此時(shí)箱梁發(fā)生傾覆;為計(jì)算方便,近似的以轉(zhuǎn)動軸達(dá)到支座邊緣線是作為傾覆極限狀態(tài)的判斷標(biāo)準(zhǔn)。并定義了以下兩個(gè)荷載:(1)轉(zhuǎn)動極限荷載:將發(fā)生一側(cè)端支座脫空狀態(tài)所對應(yīng)的荷載。(2)傾覆極限荷載:將發(fā)生傾覆穩(wěn)定臨界狀態(tài)時(shí)所對應(yīng)的荷載。在上述定義的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步將箱梁傾覆過程劃分為三個(gè)階段:穩(wěn)定階段、過渡階段和傾覆階段,如圖8所示。在荷載無偏心時(shí),轉(zhuǎn)動軸在支座中線;偏心荷載逐漸加大,達(dá)到一側(cè)端支座脫空狀態(tài);偏心荷載進(jìn)一步加大,箱梁達(dá)到傾覆穩(wěn)定極限狀態(tài),此時(shí)轉(zhuǎn)角最大并且即將發(fā)生滑移。2.2汽車荷載b.發(fā)生傾覆春暉大橋引橋倒塌事故發(fā)生前,一輛大貨車熄火拋錨,緊隨其后的3輛大貨車從右邊偏載繞行,3輛車重量接近,每輛車平均約120t。當(dāng)3輛超載車輛的整體重心處于5號橋墩附近時(shí)橋梁發(fā)生傾覆。因此,引發(fā)一個(gè)疑問,若平均汽車荷載小于120t,在該位置是否還會發(fā)生傾覆?為解釋上述問題,根據(jù)倒塌現(xiàn)場調(diào)查信息,3輛偏載車輛重心運(yùn)行軌跡如圖6所示。當(dāng)車輛居中行駛時(shí),傾覆極限荷載很大,隨著偏心距的加大,傾覆極限荷載急劇降低,但只要傾覆極限荷載大于偏載車輛荷載時(shí),橋梁上部結(jié)構(gòu)就能保持穩(wěn)定。當(dāng)汽車荷載重心運(yùn)行到5號橋墩附近時(shí),傾覆極限荷載等于偏載車輛荷載,橋梁發(fā)生傾覆破壞。因此,可以推斷,在春暉橋最終發(fā)生傾覆破壞的位置,若汽車荷載小于春暉橋?qū)嶋H偏載荷載,將不會發(fā)生傾覆破壞。因此,當(dāng)3輛車輛重心在5號橋墩附近時(shí),橋梁達(dá)到傾覆穩(wěn)定極限狀態(tài),傾覆極限荷載≈120t。鑒于此,本文通過對比有限元計(jì)算結(jié)果與春暉橋傾覆極限荷載,來驗(yàn)證有限元計(jì)算的正確性。2.3非線性箱梁傾斜方程分析2.3.1汽車荷載分析根據(jù)倒塌現(xiàn)場三維激光掃描圖,確定了箱梁截面具體尺寸:橋墩直徑1.1m,縱坡度3.5%,每個(gè)橋墩上設(shè)直徑600mm、厚度150mm的支座,支座距箱梁下翼緣邊緣0.4m。汽車荷載按照(JTGD60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范)施加,加載位置見圖7。為模擬箱梁在偏載作用下的扭轉(zhuǎn)變形和傾覆,支座-橋墩接觸面采用0.3的摩擦系數(shù),汽車-橋接觸面采用0.7的摩擦系數(shù)。同時(shí),倒塌現(xiàn)場痕跡比對結(jié)果表明箱梁在傾覆前保持完好,因此可采用彈性模型來分析箱梁傾覆過程。2.3.2標(biāo)準(zhǔn)荷載模擬由于3輛重車重量比較接近,因此在計(jì)算時(shí)皆采用3倍標(biāo)準(zhǔn)荷載模擬,即3輛重車以每輛汽車載重量為165t的荷載從零開始線性逐級施加,如圖8所示。另外,為研究橋梁傾覆的影響因素,設(shè)計(jì)了以下六組計(jì)算工況:3植鋼柱結(jié)構(gòu)抗傾覆能力箱梁在超載汽車偏載作用下發(fā)生變形,達(dá)到轉(zhuǎn)動極限荷載時(shí),一側(cè)端支座出現(xiàn)脫空;當(dāng)荷載進(jìn)一步增大,達(dá)到傾覆極限荷載時(shí),箱梁轉(zhuǎn)角最大;當(dāng)荷載繼續(xù)增大,箱梁在不平衡荷載作用下發(fā)生滑移,最終導(dǎo)致傾覆破壞,有限元模擬箱梁傾覆過程如圖9所示。在偏載增大過程中,轉(zhuǎn)動軸線由支座中心向支座邊緣移動,如圖10所示(圖中所示的荷載為偏載施加時(shí)每輛重車重量,以下同);達(dá)到傾覆極限荷載之后,箱梁發(fā)生傾覆。采用有限元計(jì)算方法得到的傾覆極限荷載與現(xiàn)場車輛殘骸實(shí)測數(shù)據(jù)都較為接近,如表3所示,因此能較準(zhǔn)確的模擬出結(jié)構(gòu)的傾覆極限荷載。本文研究了支座-箱梁間摩擦系數(shù)對轉(zhuǎn)動極限荷載和傾覆極限荷載的影響。計(jì)算結(jié)果表明(如圖11所示):在90t附近均達(dá)到轉(zhuǎn)動極限荷載,140t附近均達(dá)到傾覆極限荷載,由此可見,支座-箱梁間摩擦系數(shù)對轉(zhuǎn)動極限荷載和傾覆極限荷載無明顯影響。同時(shí),根據(jù)工況1和工況3的計(jì)算結(jié)果繪制了傾覆極限荷載隨彈性模量的變化曲線,從圖12中可以看出,傾覆極限荷載隨著彈性模量而增加,說明增加配筋率可以在一定程度上提高結(jié)構(gòu)抗傾覆性能。工況1和工況4研究了轉(zhuǎn)動極限荷載和傾覆極限荷載隨加載位置的變化,如圖13所示,當(dāng)汽車荷載從邊緣逐漸向中心移動時(shí),轉(zhuǎn)動極限荷載和傾覆極限荷載都變大;在165t汽車荷載作用下,當(dāng)車輛荷載在靠近端支座連線時(shí),轉(zhuǎn)動極限荷載大于165t。為進(jìn)一步驗(yàn)證汽車荷載在端支座連線以內(nèi)時(shí),橋梁也可能發(fā)生傾覆,設(shè)計(jì)了荷載重心在外支座連線以內(nèi)的有限元計(jì)算模型。計(jì)算結(jié)果表明:當(dāng)汽車荷載為170t時(shí)達(dá)到轉(zhuǎn)動極限荷載,650t時(shí)達(dá)到結(jié)構(gòu)的傾覆極限荷載,此時(shí)荷載重心即使在外支座連線以內(nèi)橋梁也發(fā)生傾覆,其豎向位移曲線如圖14所示。橋梁在偏載作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動時(shí),抗傾覆力矩主要是由橋梁自重提供,以ζ=L/Fy作為評價(jià)橋梁抗傾覆指標(biāo)(Fy為傾覆極限荷載),傾覆系數(shù)越大,橋梁越容易發(fā)生傾覆。根據(jù)工況5計(jì)算結(jié)果,橋梁長度為60m,80m,120m,160m和200m時(shí),ζ分別為0.52,0.65,0.86,1.02和1.1,如圖15所示。由于橋梁長度的增大,端支座對橋梁中間的抗扭約束減少,只能依靠自身抗扭剛度,因此,在自身抗扭剛度相同的情況下,橋梁跨數(shù)越多越容易使橋梁發(fā)生傾覆。工況6中,改變混凝土的線重度來驗(yàn)證作為評價(jià)橋梁抗傾覆指標(biāo)的正確性,計(jì)算時(shí)橋梁的跨度和荷載位置都不變,只改變箱梁截面的線重度,其荷載位移變化曲線如圖16所示。隨著線重度的增加,橋梁的極限承載力顯著提高,傾覆荷載隨線重度的變化如圖17所示。結(jié)構(gòu)自身重量是前期抗傾覆的關(guān)鍵,從而在線重度較小時(shí),橋梁傾覆極限荷載較低,隨著線重度的增加,極限承載力快速提高。當(dāng)結(jié)構(gòu)的重度提高到一定程度時(shí),結(jié)構(gòu)自重對傾覆的影響相對較弱,而結(jié)構(gòu)的抗扭能力則成為影響橋梁傾覆的關(guān)鍵因素。此時(shí),繼續(xù)增加線重度對結(jié)構(gòu)抗傾覆的影響減弱,導(dǎo)致當(dāng)荷載作用在橋梁外支座連線以內(nèi)時(shí)仍發(fā)生傾覆的可能,所以求解抗扭能力與抗傾覆力矩之間的最優(yōu)解是解決橋梁傾覆的關(guān)鍵。4極限抗傾覆能力分析本文以上虞春暉大橋?yàn)楸尘斑M(jìn)行橋梁傾覆破壞機(jī)理分析,得到以下結(jié)論:(1)本文根據(jù)獨(dú)柱墩梁橋倒塌情況和有限元計(jì)算結(jié)果,