宽幅独柱墩桥梁抗倾覆精细化验算及加固方案研究.pdf
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1、第4 1 卷第1 0 期2023年1 0 月文章编号:1 0 0 9-7 7 6 7(2 0 2 3)1 0-0 1 56-0 8市放技木Journal of Municipal TechnologyVol.41,No.10Oct.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.10.156宽幅独柱墩桥梁抗倾覆精细化验算及加固方案研究吴睿麒1.2*,段文志3,高鑫崇1 2,孙晓玉1,张锦程1,2(1.北京市市政工程设计研究总院有限公司,北京1 0 0 0 8 2;2.北京市城市桥梁安全保障工程技术研究中心,北京1 0 0 0 8 2;3.北京市城市道路养护管理中心,北京1
2、0 0 0 6 9)摘要:独柱墩桥梁因车辆超载和偏载出现倾覆事故时有发生,既有独柱墩桥梁结构验算与专项加固成为研究热点,相较于常规独柱墩匝道桥,宽幅独柱墩桥梁抗倾覆安全性更低、验算准确性要求更高。以某大半径宽幅曲线独柱墩桥梁工程为例,分别建立了单梁模型、折面梁格模型和三维实体模型,对比研究了该桥梁在结构自重以及偏载作用下的横向支座反力分布情况,并筛选出折面梁格模型进行抗倾覆精细化验算。针对该桥梁抗倾覆稳定性不足的问题,提出了多个加固方案并进行了对比分析,得出了适合该桥的加固方案。研究结论对类似桥梁抗倾覆验算以及加固方案设计具有一定的参考价值。关键词:独柱墩桥梁;抗倾覆稳定性;精细化验算;加固方
3、案设计中图分类号:U448.21Research on Refined Checking Calculation and Reinforcement ofAnti-overturning of Wide Single-column Pier BridgeWu Ruiqi-2,Duan Wenzhp,Gao Xinchong2,Sun Xiaoyu,Zhang Jincheng-?(1.Beijing General Municipal Engineering Design and Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100082,China;2.Bejing
4、 Engineering Research Center of Urban Bridge Security,Beijing 100082,China;3.Beijing Urban Road Maintenance Management Center,Beijing 100069,China)Abstract:The overturning accidents of single-column pier bridges have occurred frequently due to vehicle overloadand partial load.The structural checking
5、 calculation and special reinforcement of existing single-column pier bridgeshave become research hotspots.Compared with conventional single-column pier ramp bridges,wide ones have loweranti-overturning safety and higher checking accuracy requirements.In this paper,a single-column pier bridge withla
6、rge radius and wide curves is taken as an engineering example.The single beam model,folded beam grillage modeland 3D solid model are established respectively.The distribution of transverse bearing reaction force of the bridgeunder self-weight and eccentric load is compared and studied to selected th
7、e folded beam grillage model for anti-overturning fine checking calculation.Aiming at the problem of insufficient anti-overturning stability of the bridge,several reinforcement schemes are proposed and compared to obtain the reinforcement scheme suitable for the bridge.The research conclusions have
8、reference value for anti-overturning checking calculation and reinforcement schemedesign of similar bridges.Key words:single-column pier bridge;anti-overturning stability;refined checking;reinforcement scheme design文献标志码:A独柱墩桥梁具有占地面积小、对桥下行车视野影响较小和造型美观等优点,在城市道路立交以及跨线桥中得到了广泛应用。然而,早期建成的独柱墩桥梁存在先天的倾覆破坏风险
9、,这是由于当时国收稿日期:2 0 2 3-0 5-2 9作者简介:吴睿麒,男,工程师,硕士,主要从事道路与桥梁设计以及相关科研工作。引文格式:吴睿麒,段文志,高鑫崇,等.宽幅独柱墩桥梁抗倾覆精细化验算及加固方案研究.市政技术,2 0 2 3,4 1(1 0):1 56-1 6 3.(WURQ,DUAN W Z,GAO X C,et al.Research on refined checking calculation and reinforcement of anti-overturning of wide single-column pierbridge.Journal of municip
10、al technology,2023,41(10):156-163.)第1 0 期内规范没有对桥梁抗倾覆稳定性提出验算要求,使得桥梁倾覆破坏没有引起设计人员足够的关注。近年来,独柱墩桥梁发生多起倾覆破坏事故,其安全隐患已引起国内桥梁专家学者们的重视。彭卫兵等总结了独柱墩桥梁倾覆的4 种破坏模式,并将抗倾覆承载力分为端部支座倾覆和上部结构自重倾覆来模拟倾覆临界荷载。熊文等 2 采用弹性体空间精细化计算模型,引入几何、材料非线性在多种基准荷载作用下进行结构极限破坏状态全过程分析。杨坤等 3 对某城市高架桥分别采用单梁法、平面梁格法、折面梁格法建立有限元模型进行抗倾覆分析,建议安全储备小的独柱墩桥梁
11、采用梁格法进行核算。徐前等 4 总结了多种独柱墩桥梁加固方案,提出的双点支撑加固方案对交通影响较小,且优势明显。对于宽幅独柱墩桥梁,桥面较宽导致活载加载的不利区域较大且倾覆效应显著,同时由于宽跨比较小、结构受力空间效应明显且边墩一般采用多支座,而各支座反力分配比例不清晰,因此呕需进行抗倾覆精细化验算及加固设计。笔者以某大半径宽幅曲线独柱墩桥梁工程为例,根据JTG33622018公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 5 要求对该桥进行抗倾覆精细化验算,同时提出多个加固设计方案进行对比分析,相关研究结论对宽幅独柱墩桥梁的抗倾覆验算及加固设计具有一定的参考价值。1工程概况某大半径宽幅曲线独柱墩桥
12、梁全长为1 2 1.2 m、宽度为1 5.0 m。桥梁跨径布置为(2 0.6+2 4.0+2 2 8.0+20.6)m,梁高为1.4 m,分为1 6 号轴。箱梁采用C45混凝土现浇,横断面为单箱三室结构,箱宽为10.0m,两侧悬臂宽为2.5m,全宽为1 5.0 m。桥梁下部结构中墩为1.41.7m变截面圆柱形接承台和钻孔灌注桩,边墩为边盖梁接钻孔灌注桩。边墩采用3个F4乙烯板式橡胶支座;中墩下设球形支座,其中4号轴中墩为QZ12500kN-GD-0.01型固定球形支座,2、3、5号轴中墩为QZ12500kN-DX-e50-0.01型多向活动球形支座。桥梁设计荷载为汽车-超2 0,挂车-1 2
13、0。主梁平面和支座布置如图1 所示,主梁中墩处横断面如图2 所示。2有限元模型对比分析及验算2.1村模型建立目前,桥梁结构受力计算方法主要有单梁法、梁吴睿麒等:宽幅独柱墩桥梁抗倾覆精细化验算及加固方案研究157支座6-1支座6-2支座6-3支座3R=800支座4支座52.060支座1-12.800支座1-2支座2支座1-32.4002.060+图1 主梁平面和支座布置图(cm)Fig.1 Layout of the main beam plan and the bearing1500支座中心线2501000十图2 主梁中墩处横断面图(cm)Fig.2 Cross section of the
14、main beam at the middle pier格法、板壳及三维实体有限元方法 6 。单梁法难以准确模拟弯箱梁桥支座反力的横向分布;板壳及三维实体有限元方法计算精度高,但建模过程繁琐,难以施加自动考虑影响面的汽车荷载;梁格法则是桥梁结构空间分析的实用精细化模拟方法 5-6 。笔者采用Midascivil软件分别建立单梁模型和折面梁格模型,单梁模型采用梁单元模拟主梁,横梁和隔板采用施加荷载的方式模拟;折面梁格模型采用梁单元分别模拟主梁、横梁、隔板以及虚拟横梁,桥梁支座采用弹性连接模拟。然后采用Midas-FEA建立三维实体模型。桥梁有限元模型如图3 所示。2.2对比分析通过对比结构自重和
15、偏载作用下的支座反力来判断桥梁有限元模型的准确性,偏载采取在步道位置施加均布线荷载(1 0.5kN/m)的方式。结构自重和偏载作用下支座反力见表1。结合抗倾覆验算特点,对比分析3 种桥梁有限元模型在结构自重和偏载作用下边墩支座反力,具体如图4 所示。其中,在偏载作用下以实体单元计算结果为基准对比反力偏差率。从图4 a)可以看出,与三维实体模型相比,单梁模型边墩横向内外侧支座反力差距偏小,内侧支座反力偏大,由于该桥梁曲线外侧加载更不利,因此单梁模型计算的稳定效应更大,计算结果偏不安全,而折面梁格模型能较好地反映边墩横向内外侧支座反力的差距,计算结果较为安全。从图4 b)可以看出,与三维实体模型相
16、比,折面梁格模型的边墩支座反力偏差率更接近于三维实体模型,单梁模型边墩支2.800250市放技术158Journal of Municipal Technology轴9004轴6轴轴2轴口轴图3 桥梁有限元模型Fig.3 Bridge finite element model表1 结构自重和偏载作用下支座反力Tab.1 Summary of support reactions under self weight andbias loadkN结构自重作用下支座反力偏载作用下支座反力支座三维实体折面梁格 三维实体单梁模型单梁模型模型模型1-1845.01-2797.71-3767.627082.0
17、7022.3 6978.837 437.07 433.27.435.848 243.0 8 235.18224.257741.07 700.47662.26-1.792.26-2746.36-3717.5合计35169.335 128.535 041.4座反力偏差率较大。通过分析上述结果可知:1)在结构自重作用下,单梁模型横向支座反力差距小,主要原因是无法考虑曲线梁内外侧梁长不一致导致的自重差,从而无第4 1 卷三维实体模型873.0单梁模型850折面梁格模型845.0832.0813.7821.9797.7800767.6771.9750¥7 4 6.3Y737.6a)单梁模型7006501
18、-1a)结构自重作用下支座反力一三维实体模型25一单梁模型b)折面梁格模型一折面梁格模型20%/美U1510501-1c)三维实体模型b)偏载作用下支座反力偏差率图4 结构自重和偏载作用下边墩支座反力对比图Fig.4 Comparison diagram of side pier support reaction underself weight and eccentric load法得出相应的支座反力差值,而折面梁格模型横向划分为1 0 余道纵梁,能较好地考虑梁内外侧的自重折面梁格差。2)在偏载作用下,3 种桥梁有限元模型支座反力模型模型821.9873.0813.7832.0805.473
19、7.6771.9824.3765.5782.3759.1691.2824.3805.4792.2782.3X65.5759.1717.51691.21-21-3支座1-21-3支座相差不大,说明单梁模型和折面梁格模型均能较好495.6480.321.624.7-441.7-430.9274.9260.8281.9275.2311.4306.8293.4287.0486.5478.418.422.9-438.9-432.6-434.51 303.11 272.61 283.86-16-1485.522.4-433.8261.7279.7310.5288.9483.020.46-26-2地模拟主梁
20、的抗扭刚度;从表1 可以看出,单梁模型支座反力 折面梁格模型支座反力 三维实体模型支座反力,其原因是单梁模型和折面梁格模型施加偏载是在纵梁单元上添加偏心荷载,单梁模型加载长度为桥梁中线长度,折面梁格模型加载长度为就近的纵梁单元长度,加载长度的不同导致合计支座反力出现差异。因此,单梁模型的稳定效应偏大、失稳效应偏小,抗倾覆验算的结果偏不安全。曲线半径越小,结果偏差越大,若仍然采用单梁模型验算,须考虑自重差产生的扭矩效应以及偏载加载长度的放大。而折面梁格模型能更准确地反映支座反力的分配情况,建议小半径曲线梁以及抗倾覆稳定性接近规范要求值的桥梁采用折面梁格模型进行抗6-36-3第1 0 期倾覆精细化
21、验算。2.3抗倾覆精细化验算针对折面梁格模型进行抗倾覆精细化验算,结果见表2。Tab.2 Refined checking calculation results of anti-overturnin of the folded grillage model项目6-1支座间距(l)0支座永久作用标准值效应(Rk)竖向支座失效时对应最不利力/kN汽车荷载的标准值效应1.0Roki+1.4Roki.13特征1.0Raki+1.4Roi.63状态1验算特征状态2失稳效应/(kNm)验算稳定性系数验算结论3力加固方案研究3.1#抗倾覆稳定性不足原因分析1)该桥梁采用五跨预应力混凝土连续箱梁,中墩均采用
22、球形单支座,其体系抗扭支承较弱,在边墩产生的扭转变形较大,导致活载产生的负反力较大。在外偏载作用下支座6-3 产生最不利反力变形,如图5所示。支座6-3图5在外偏载作用下支座6-3 产生最不利反力变形图Fig.5 The most unfavorable reaction force deformation of No.6-3bearing under the action of external live load2)该桥梁位于半径为8 0 0 m的圆曲线上,属于大半径曲线梁,产生倾覆力矩的活载加载区域较大(如图6 所示),在活载作用下产生的负反力较大;同时,由于圆曲线的存在以及中墩并未设置
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