【偏載作用下】箱梁橋抗傾覆、穩(wěn)定問題的探討

【偏載作用下】箱梁橋抗傾覆、穩(wěn)定問題的探討歡:二下載自從2007年10月23日內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市民族東路高架橋橋面發(fā)生傾斜以來，發(fā)生數(shù)起箱梁橋在多輛重載車偏載作用下倒塌的事故（表1），造成了重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，并引發(fā)了極其惡劣的社會影響。事故的最終原因大多歸結(jié)于車輛超載、超限所致，此類事故的接連發(fā)生也引起橋梁專業(yè)人士的討論和深思。發(fā)生上述事故的橋梁大多有以下共同點(diǎn)：（1）整體式箱形梁橋；（2）直線橋或平曲線半徑較大；（3）重載車靠行進(jìn)方向右側(cè)邊緣行駛或停留；（4）倒塌橋梁大多是長橋，采用了獨(dú)柱墩單支點(diǎn)設(shè)計(jì)，端橫梁處雙支座間距較小；（5）破壞形式表現(xiàn)為整體傾斜倒塌。目前國內(nèi)研究和事故分析中將此類問題歸結(jié)為抗傾覆穩(wěn)定問題，將破壞形式簡單地描述為繞傾覆軸旋轉(zhuǎn)倒塌,而沒有對彈性體問題簡化為剛體處理方法的適用范圍，以及破壞過程中橡膠支座的受力狀態(tài)、支座與箱梁間的相互作用進(jìn)行深入研究?，F(xiàn)行公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中對于該問題的要求處于空白。鐵路橋梁規(guī)范中要求結(jié)構(gòu)的側(cè)向傾覆穩(wěn)定系數(shù)不應(yīng)小于1.3。由于鐵路橋梁與公路橋梁（或城市橋梁）在車道數(shù)、行車軌跡、結(jié)構(gòu)抗扭剛度、結(jié)構(gòu)自重等方面存在諸多差異，因此采用鐵路規(guī)范中的條文和系數(shù)，在公路橋梁（或城市橋梁）設(shè)計(jì)中能否適用值得探討。國內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)過程中往往重視結(jié)構(gòu)縱向的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，而忽視偏載作用下結(jié)構(gòu)側(cè)向抗傾覆穩(wěn)定問題。從最近的幾次事故中也可以看出橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的安全系數(shù)明顯高于側(cè)向傾覆穩(wěn)定的安全系數(shù)。此外采用相同的設(shè)計(jì)活載對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算和抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算，能否保證結(jié)構(gòu)安全，同樣值得探討。國內(nèi)外相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范國內(nèi)外的橋梁規(guī)范中，就偏載作用下結(jié)構(gòu)側(cè)向傾覆失穩(wěn)問題均沒有明確的定義和要求，雖然與此類問題相關(guān)的要求均有表述，但不盡相同，如表2所示。從表2可知，中國公路橋梁規(guī)范和鐵路橋梁規(guī)范均引入了按照剛體計(jì)算的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，公路橋梁規(guī)范意見稿中考慮密集55t車列的工況，將安全系數(shù)定為2.5；美國橋梁規(guī)范明確了多向活動支座的最小豎向力不應(yīng)小于其承載能力的20％，這與中國鐵路橋梁規(guī)范中板式橡膠支座的要求基本相同，但前者更為全面；日本橋梁規(guī)范中在計(jì)算支座負(fù)反力時活載效應(yīng)取用2倍的系數(shù)。上述規(guī)范的要求各有千秋，本文通過下面的實(shí)例進(jìn)行比較。實(shí)例分析與對比某直線匝道橋其平面布置和上部結(jié)構(gòu)橫斷面布置如圖1所示，端橫梁設(shè)置雙支座，中橫梁處為單支座，橋型結(jié)構(gòu)為六跨等截面鋼筋混凝土連續(xù)梁橋，設(shè)計(jì)荷載等級為公路-I級。該橋在三輛重型貨車偏載作用下發(fā)生倒塌事故，經(jīng)實(shí)測三輛貨車重量分別為125t、125t和1103總重為360t。在公路-I級、密集55t車列和事故車列三種荷載工況作用下，該橋按照剛體進(jìn)行計(jì)算的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果詳見表3。從表中可知，設(shè)計(jì)活載作用下，該橋的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到18以上，即使在密集55t車列或事故車列的作用下此系數(shù)也均在6以上，并且事故車列的總重量小于密集55t車列的重量（412.5t）。采用彈性體計(jì)算模型，從端橫梁處支座反力計(jì)算結(jié)果表4中可以看出：雖然設(shè)計(jì)活載作用下，恒載+活載組合支座不脫空，但密集55t車列或事故車列的作用下，支座負(fù)反力達(dá)到1000kN左右。由此可見，對于連續(xù)梁橋受偏載作用下扭轉(zhuǎn)變形的影響，即使在剛體抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到6，也不能避免支座的脫空。從對稱荷載作用下截面最大彎矩的計(jì)算結(jié)果（表5）可以看出，在單列密集55t車列和事故車列的作用下，截面的最大正彎矩值和最大負(fù)彎矩值均與設(shè)計(jì)活載作用下的結(jié)果相當(dāng)，并且組合值均小于截面抗力。將本例橋梁端橫梁支座間距調(diào)整為5m,此時汽車活載作用線位于兩支座間，按照剛體進(jìn)行計(jì)算的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為+，偏載作用下支座反力計(jì)算結(jié)果如表6所示?？梢娭ё钶d負(fù)反力大幅減小，即使在密集55t車列作用下，該支座也不脫空。根據(jù)上述分析結(jié)果可知：（1）按照剛體計(jì)算的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)將傾覆失穩(wěn)破壞形式描述為剛體繞轉(zhuǎn)動軸的旋轉(zhuǎn)，忽視了實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)為彈性體的客觀因素；梁體過大的扭轉(zhuǎn)角不僅導(dǎo)致一側(cè)支座脫空，而且增大了另一側(cè)支座的切向力，直至梁體滑落；因此即使設(shè)計(jì)汽車活載作用下其按照剛體計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)大于10，也不能保證在密集55t車列作用下發(fā)生支座脫空現(xiàn)象，甚至在事故車列作用下發(fā)生倒塌；（2）事故橋梁為小跨度連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，在單列密集55t車列或事故車列活載工況作用下，最大彎矩組合值也沒能超過截面的抗彎承載力；（3）增大支座間距，可以大幅提高結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性能。有待進(jìn)一步研究的問題與建議以往的箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定方面主要存在如下問題：（1）將彈性體問題采用剛體問題的計(jì)算方法，忽略了梁體的彈性扭轉(zhuǎn)變形；（2）偏載作用下，梁體發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，橡膠支座處于偏壓狀態(tài)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中沒有對梁體扭轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制；（3）一些橋梁缺少避免橫向滑落的構(gòu)造措施或該措施過于薄弱。由此說明：傾覆失穩(wěn)不是第一類穩(wěn)定問題，而是第二類穩(wěn)定問題。筆者認(rèn)為有如下方面可進(jìn)一步地深入研究：（1）汽車活載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)際車輛荷載以及橋梁限載標(biāo)準(zhǔn)間存在諸多差異，三者間的關(guān)系也較為復(fù)雜；而橋梁結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定問題不同于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題，有其自身的特點(diǎn)，因此應(yīng)針對橋梁不同的限載標(biāo)準(zhǔn)制定合理的車列模型，用于抗傾覆穩(wěn)定性的驗(yàn)算；（2）側(cè)向傾覆失穩(wěn)屬于脆性破壞，其可靠指標(biāo)應(yīng)高于縱向強(qiáng)度驗(yàn)算時采用的可靠指標(biāo)，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)研究確定合理的橋梁結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法及其規(guī)范限值；（3）橋梁橡膠支座采用的橡膠為超彈性體材料，研究箱梁橋傾覆過程中支座的受力性能、支座與箱梁間的反向支撐作用和切向摩擦作用，對于確定平衡點(diǎn)的極限狀態(tài)方程具有重要的意義。對于現(xiàn)階段箱梁橋側(cè)向抗傾覆穩(wěn)定的設(shè)計(jì)建議如下：（1）在多跨一聯(lián)的直線連續(xù)梁橋中，盡量避免采用單點(diǎn)支撐的結(jié)構(gòu)體系；（2）抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)采用彈性體空間計(jì)算模型，計(jì)算支座恒載反力與活載最大豎向負(fù)反力的比值作為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，該方法概念更加明確；（3）在偏載作用下，應(yīng)限制梁體的扭轉(zhuǎn)角不超過支座容許的最大轉(zhuǎn)動角度；（4）橋墩支座處應(yīng)采取可靠的橫向限位措施，避免梁體的傾斜滑落。偏