公路与城市道路桥梁抗倾覆设计

公路与城市道路桥梁抗倾覆设计

孙小光

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摘要：大桥在高速公路中有着无法取代的功能,通过对大桥结构进行防翻沉设计,除可以增强大桥的总体安全与稳定性以外,还可以防止严重安全事故的出现。希望可以对促进路桥抗倾覆工程设计技术水平的提高有所助益。

关键词:公路;道路桥梁;抗倾覆设计;

引言

在公路与城市道路施工中,桥梁是相当关键的构件之一,桥梁大多由底部墩柱础与上部墩体组成。为了保证大桥设计的安全与可靠性,必须在桥梁工程设计时,应对倾覆设计进行重点考察,并应对倾覆稳定性系数作出合理计算。

一、公路和城市道路的桥梁防倾覆与稳定性评价等研究

1.1城市道路桥梁抗倾覆排查方法

在高速公路和都市道路桥梁中,独柱式桥所占比重很大,所以为了得到一种比较普遍和合理的结果必须有一种调查的途径。首先需要制定一个桥梁因素的提取表格,把桥梁构件的关键参数列出来加以计算,尤其是与抵抗倾覆能力有关的构件系数。数据包括有:大桥构造类型、大桥建设时间、平曲线半径、设计荷载指标、制作宽度和车行道宽度等。这样就可以对大桥有关的数据有个比较完整和全面的掌握,并且可以根据不同因素对信息库进行合理安排。

通过研究可以看出,中墩采用墩柱固结法的桥其抗倾覆稳定性较好,其翻沉的安全稳定性主要是根据墩柱的实际承载力来确定的,除此以外,一般道路上桥梁桥面宽度与边制作之间的距离比值,也会对桥的抗倾覆稳定性造成很大的影响,距离差值越大,就表示桥的抗倾覆性能就越低,尤其是对路面宽与边锚固之间的距离宽度比值大于二点五的路面桥,就一定要加强高度重视,在开展抗倾覆调查工作中,就需要把差值很大的桥挑起来重点加以分析。

1.2倾覆临界状况与抗倾覆安全系数之间的关系含义

1.2.1道路桥梁的临界状态

当将抗倾覆分析的范围明确了以后,就需要运用合理的动力学分析方法和抗倾覆分析评估方法对桥的抗倾覆能力进行评估。翻沉暂停状态可以大致分为二类,它们主要包括:边墩铰接独柱支梁结构的桥出现了边墩支座脱空的情况,之后又发生了边墩支座角头过点的情况,最后再导致结构的持续往下倾覆现象。而边墩支座转角小于0.03英国皇家舞蹈学院的边墩支座出现板角弯沉,也被作为道路桥梁倾覆的临界状态。通常,边墩支座板角弯沉被称为第一个倾覆暂停状态,而相应的边墩支座转角小于0.03皇家舞蹈学院的则称为第二倾覆暂停状态。根据有关的资料表明,道路桥梁的直桥往往被第一倾覆暂停状态所控制,而弯桥则往往被第二倾覆暂停状态所限制。而使用中墩固结的独柱支撑梁式桥,因为受偏心负荷的影响,往往会出现承载沉降状况比翻沉状况提早发生的情形,所以很适合将它列于大桥抗翻沉问题的范畴之内。

1.2.2道路桥梁抗倾覆安全系数

从道路及桥梁结构的自身效果来看,必须对桥面墙体自重、混凝土结构收缩、徐变、高温作用、预应力荷载等的作用状况予以考虑。除此之外,政府在编制抗倾覆安全标准时还必须综合考量规范的经济性和安全性。由于桥梁构件达到倾覆临界状态通常要求经过一定的过程,而k只能通过对所有构件都进行了全过程分解之后才能够得出,而无法通过单纯的取距方式得出。

二、公路和城市道路桥梁的防倾覆工程技术

2.1工程概况

某高速公路工程中的一条高架桥,主线采用连续箱梁,设计长度为30m,最大和最小桥宽分别为20.5m和13m,而匝道桥则设在曲线段上。但由于该工程场地条件对桥面景观的要求很高,于是在方案经过比选之后,最终主线桥梁和匝道桥均选用了大吊杆斜腹板箱梁和垂直式哑铃型的实体薄壁加工桥墩。因为受桥墩倾斜长度的影响,加上匝道大桥处于弯道上,因此防倾覆是整个大桥结构的关键组成部分。需要在确保结构安全、经济性和美观度的情况下,提供合理、切实可行的防倾覆设计方案。

2.2设计思路

桥梁的防倾覆工程设计时,需要对各尺度作出基本确定,例如该桥梁横向厚度,需要着重考察的方面还有桥长和墩宽的合理性、箱桥横向防倾覆稳定性等。具体确定的方案中,充分考虑了侧向抗倾覆时的车辆负载情况,并通过有限元设计,分别计算了在恒荷载情况下的稳定效应和在汽车负载情况的失稳效果,得出了可以实现侧向抗倾覆稳定性系数大于2.5的横向支点之间的最小距离,并在此基础上,以支座的正确布置位置为基础,对桥墩的最小侧向长度加以了合理设定。

2.3抗倾覆计算

对直线桥来说,其倾覆自转轴就是每个外侧支点在纵向上的连接,但弯道桥和直线桥则具有很明显的不同,它的每个支点连线都处于圆弧上。所以在设计研究中,就必须找出最不利的翻沉自转轴。而通过传统的设计方式对连续箱梁桥的抗倾覆设计,过程也相当复杂,因为实际上当转向线外弧上的桥面范围越大时,桥的结构出现倾覆的危险性也越大。而如果这个范围超过了规定限度的话,大桥结构就会100%发生倾覆。从倾覆的实际过程中能够得知其发生的根源,就是向外圆弧上下两端的扭矩之间存在着很大的偏差。这样,就可以在与支座连接的中心部位上再增加一次抗扭约束,并将与支座连接作为坐标系上的X轴线,进而依托双重作用下的力矩,就可以迅速测算出大桥构件的抗倾覆力矩,如此便可以得到稳定系数,并据此对大桥构件作出防倾覆选择。

2.4抗倾覆设计体会

(1)对桥梁构造者来说,直接影响抗翻沉能力和不同支点反力的最主要原因,是支点自身的侧向间隙距离。经过对此次抗倾覆设计研究,从计算结果中可以发现,虽然所有支点都只会对自身的反作用力形成很大的负面影响,但是却并没有直接影响到其它的支点反作用力。针对此,在公路大桥的抗倾覆工程设计中,可通过以下墩柱型式来拉开不同支点间的倾斜间距:T型墩柱、Y型墩柱、单门式桥墩和双杆桥墩等。

(2)如果桥梁构件的侧向间距受到了限制,则此时产生的反作用力也将为负值,即负反作用力。根据该条件,在进行抗翻沉设计中,连接墩柱可选择安装偏心独立锚固位置的方式。如果采用柔性设计的连续高桥墩,则可选择桥墩和柱体互相固结的形式,或在过渡部位安装拉力锚固方式。

(3)在一般情形下,箱梁内侧和外侧的反作用力应该保持均衡一致,不过由于曲线零点五径会对箱梁反力形成一定的影响,进而造成内侧面的反作用力也不一致,从而会增加箱梁向外弧侧倾覆的概率。所以,支点上必须向外设计偏心,并以反力平衡为准则,在充分考虑偏心最大弯矩的基础上,对预应力钢束加以合理布置。

(4)由于曲线内切圆零点五径对桥梁横径和二边中跨距离的影响,要大大大于对支点反作用力的影响,故需要在抗翻沉工程设计中予以特别注意。一般情形下,当恒荷载的反作用力储量相当多时,负反力发生的可行性就相当小,因为即使有反作用力发生也都是正逆力。因此,在对桥梁构件进行防翻沉的设计时,适量增大易发生负反力墩台侧的跨径,也可减少邻近跨径,并以此来提高墩台的恒荷载储量,从而防止发生翻沉。

(5)在桥梁构造中,盆式支坐产生侧向约束效应。所以,在抗翻沉设计估算时,就应该充分考虑支座中心所容许的侧向变形(通常为3.0-4.0mm),而经过对这些位置的有效合理解释,就可以降低横向反力。如支点的横向反力大于竖向反作用力10%以上时,则需要在隔墩设置盆式支坐。

结语

综上所述,公路和城市道路桥梁防倾覆设计分析工作对于大桥的整体生命周期来说十分关键,因此开展其方案设计工作将有助于在后期对大桥的维护,并且增长大桥的寿命。由于目前中国国内外对道路桥梁抗倾覆性能的分析方法还不全面,因此必须就此提问加以继续的研究进一步细化,以期于将有关道路桥梁抗倾覆性能的研究成果得更加完整,从而推动中国道路桥梁施工产业的发展。

参考文献

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