独柱墩连续箱梁桥支座布置形式对稳定性的影响

杨庆嵘　张　癑

(内蒙古科技大学建筑与土木工程学院，内蒙古包头　014010)



独柱墩连续箱梁桥支座布置形式对稳定性的影响

杨庆嵘张癑

(内蒙古科技大学建筑与土木工程学院，内蒙古包头014010)

摘要:以公路桥梁通用图为工程背景，通过midas计算出了独柱墩连续箱梁桥支座反力，并计算了抗倾覆稳定系数，根据支座反力及抗倾覆稳定系数，分析了支座布置形式对连续箱梁桥稳定性的影响，得到了桥梁抗倾覆稳定性随支座布置形式的变化规律。关键词:连续箱梁桥，独柱墩，抗倾覆稳定，midas

独柱墩桥梁由于桥下空间大、整体美观、易适应地形，因而被广泛的用于城市立交桥、高速公路匝道桥上。但由于独柱墩墩顶较窄，使得墩顶支座横向间距很小，甚至只能采用单支座支承，这种结构在密集车辆偏载作用下，对倾覆稳定性非常不利。本文以公路桥梁通用图20 m+32 m+20 m连续箱梁桥［1］为例，借助midas civil有限元分析软件，分析计算不同支座布置形式连续箱梁在不同荷载工况下的桥梁支座反力及其抗倾覆稳定系数，探讨其抗倾覆稳定性的变化规律，并对实际工程提出合理的建议。

1　计算模型

计算桥梁桥宽12 m，设计行车道数为3个，桥墩为独柱墩形式，其上支座为单支座，桥台支座为双支座，支座间距为6．5 m，桥梁支座布置形式及跨中截面如图1，图2所示。计算程序运用midas civil 2015建立桥梁梁格模型。

图1　桥梁支座布置形式

图2　跨中截面

2　计算规范及荷载

现行的公路桥涵规范对抗倾覆稳定性的规定有禁止支座脱空的条款［2］，同时也规定采用整体式断面的中小跨径梁桥应进行上部结构抗倾覆验算［3］。规定弯桥上部结构的抗倾覆稳定系数应满足下式要求:

其中，γqf为抗倾覆稳定系数;RGi为成桥状态各个支座的支反力;xi为各个支座到倾覆轴线的垂直距离;μ为冲击系数;qk为车道荷载中集中荷载;Ω为倾覆轴线与横向加载车道围成的面积; Pk为车道荷载中集中荷载;e为横向加载车道到倾覆轴线垂直距离的最大值。在规范中为了有足够的安全储备规定最小抗倾覆稳定系数为2．5，在实际过程中稳定力矩等于抗倾覆稳定力矩(抗倾覆稳定系数为1)时为桥梁倾覆的临界状态。本文以上式为计算原则，计算荷载包括恒载、活载以及5 mm基础不均匀沉降，汽车荷载以最外侧车道进行布载，并在以下三种汽车荷载工况的基础上进行荷载组合。工况一:公路—Ⅰ级车道荷载;工况二: 1．3倍公路—Ⅰ级车道荷载;工况三:3辆55 t重车组成的密集排列车队(前后车辆车轮间距为7．2 m)。

3　计算结果

3．1不同桥台支座间距下的支座反力

本文选取曲率半径分别为50 m，157．5 m，500 m条件下桥台分别设置6．5 m，6．7 m，6．9 m，7．1 m的支座间距进行对比分析，由于工况三作用下的支座反力与其他工况支座反力相比更加明显，同时桥台内侧支座会出现负反力情况，所以将工况三下2号、5号支座的支座反力列于表1。

表1　工况三下设置不同支座间距最小支座反力　kN

表2　工况三下设置不同支座预偏心时的最小支座反力　kN

从表1中可以看出桥台内侧2号与5号支座最小支座负反力随着支座间距的增大在不断减小，表明桥台支座间距设置越大，支座越不易发生脱空现象。同时我们也可以看出，支座反力值随支座间距的变化大致成一种线性关系，表明设置较大的桥台支座

3．2不同桥墩支座预偏心下的支座反力

设置桥墩支座外侧预偏心分别为0 m，0．1 m，0．2 m进行对比分析，在工况三下曲率半径分别为50 m，157．5 m，500 m的计算结果见表2(由于桥墩支座反力变化幅度很小故不予列出)。

从表2中可以看出在工况三作用下，桥台内侧支座会出现负反力的情况，同时随着预偏心的增大，2号、5号支座处负反力逐渐减小，1号、6号支座反力也趋于减小，可得出随着预偏心的增大，支座反力的分布更加均匀，从而使桥台外侧支座解压，降低支座脱空的可能性［4］。

3．3不同桥台支座间距下的抗倾覆稳定系数

选取桥台支座间距分别为6．7 m，6．9 m，7．1 m三种布置形式在三种工况下进行桥梁抗倾覆稳定系数的计算，其在工况三下的结果如表3所示。

表3　工况三下设置不同支座间距的抗倾覆稳定系数

从表3中可以看出随着桥台支座间距的增大，抗倾覆稳定系数也是在不断增大的，表明增大桥台支座间距有利于主梁的整体抗倾覆稳定性，同时随曲率半径的变化，抗倾覆稳定系数是先减小后增大的，当曲率半径为157．5 m时抗倾覆稳定系数达到最小，此时刚好桥台外侧支座连线与桥墩支座连线共线，主梁自重提供的抗倾覆稳定力矩达到最小，因此此时是主梁抗倾覆稳定性最不利状态。同时可以看出在工况三下，出现抗倾覆稳定系数小于2．5的情况，不符合规范要求。在工况三下曲率半径为50 m设置6．7 m桥台支座间距时的支座处已经出现负反力，表明支座已经发生脱空，但计算的抗倾覆稳定系数要远大于2．5，这种情况表明仅靠支座脱空并不能判断主梁的整体抗倾覆稳定性，支座脱空并不能反映出主梁整体倾覆。具体抗倾覆稳定系数变化曲线如图3所示。从图3中可得到曲率半径为157．5 m时抗倾覆稳定系数达到最小，同时曲率半径小于157．5 m时其变化曲线较陡，而曲率半径大于157．5 m时变化曲线较缓，表明曲率半径小于157．5 m时主梁的抗倾覆稳定性对曲率半径的改变敏感，而曲率半径大于157．5 m时主梁的抗倾覆稳定性对曲率半径的改变较迟缓。

3．4不同桥墩支座预偏心下的抗倾覆稳定性系数

在三种工况下选取桥墩支座外侧预偏心分别为0 m，0．1 m，0．2 m进行计算，其在工况三下的计算结果如表4所示。

图3　工况三下不同支座间距抗倾覆稳定系数

表4　工况三下不同支座预偏心抗倾覆稳定系数

从表4中可以看出随着桥墩支座预偏心的增大抗倾覆稳定系数也相应增大，表明适当增加桥墩支座预偏心有助于提高桥梁的整体抗倾覆稳定性。同时随支座预偏心的增大主梁的抗倾覆稳定系数的增大幅度比较明显，表明增大支座预偏心是一种提高主梁整体抗倾覆稳定性的有效方法。

4　结语

本文通过桥梁在不同支座布置形式下对最小支座反力及抗倾覆稳定系数的分析得到如下结论:

1)仅靠支座脱空并不能判断主梁会发生整体倾覆。2)对于三跨连续梁桥当桥台外侧支座连线与桥墩支座连线处于共线状态时为主梁整体抗倾覆稳定性最不利状态。3)在实际工程中为提高主梁的整体抗倾覆稳定性可以通过增大支座间距和增大支座预偏心的方式来达到效果。同时增大支座间距和支座预偏心也会使主梁支座反力分布更加均匀。4)该桥在3辆55 t车辆组作用下，支座出现负反力，同时抗倾覆稳定系数也出现小于2．5的情况，不满足规范要求，因此密集排列车辆对桥梁抗倾覆稳定性很不利。所以在桥梁使用过程中应该进行限载和禁止重车外侧行驶，并对运营中的独柱墩桥梁加强检测和动态观察。

参考文献:

［1］ 交通部专家委员会．公路桥涵通用图［M］．北京:人民交通出版社，2007．

［2］JTG D60—2004，公路桥涵设计通用规范［S］．

［3］JTG D62—2012，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(讨论稿)［S］．

［4］张健，肖文杰．独柱墩桥梁抗倾覆稳定性分析［J］．公路工程，2013(8):170-173．

中图分类号:U448．213

文献标识码:A

文章编号:1009-6825(2016)17-0164-02

收稿日期:2016-04-07

作者简介:杨庆嵘(1990-)，男，在读硕士;张癑(1968-)，男，硕士，副教授间距能使支座反力分布更加均匀。

The reasearch of single column pier continuous box-girder bridge stability against overturning when set different seat form

Yang QingrongZhang Yue
(Architecture and Civil Engineering School，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China)

Abstract:Regarding Highway Bridge General Atlas as engineering background，calculated the bearing reaction of single column pier continuous box-girder bridge through program midas and further calculate anti-overturning stability coefficient，analyzed the influence of setting different seat form to the stability of continuous box-girder bridge according to the bearing reaction and the anti-overturning stability coefficient，got the change regulation of the bridge’s stability against overturning following set different seat form．

Key words:continuous box-girder bridge，single column pier，stability against overturning，midas