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近年来,国内已经发生了多起桥梁上部结构倾覆事故,导致桥垮车毁。深入分析这些事故,可以发现造成事故的主要原因有:一是车辆严重超载且偏载;二是桥梁为节省桥下空间,设置了过多的独柱桥墩;三是业界对桥梁整体倾覆问题认识不足。桥梁上部结构倾覆事故不断发生后,国内外学者对桥梁上部结构倾覆问题开展了积极研究,提出了一些提高桥梁抗倾覆能力的措施,相关规范也给出了桥梁抗倾覆稳定性验算公式。但由于桥梁整体倾覆问题的复杂性,加之相关研究进行的时间较短,人们对桥梁倾覆问题的认识、对一些防倾覆措施的有效性的研究还需要进一步深化。本文结合实际工程,通过精细化的数值模拟开展桥梁整体倾覆问题研究,进行的研究工作及主要结论如下:
1.采用ABAQUS软件建立了依托背景工程的实体有限元模型,考虑桥梁倾覆过程中的几何非线性、材料非线性以及接触非线性因素,进行了桥梁上部结构整体倾覆的全过程有限元分析。计算结果表明,桥梁上部结构倾覆的主要原因是偏载作用过大导致支座体系破坏,之后发生了上部结构倾覆,根据计算结果,桥梁倾覆全过程可以划分为四个阶段,得到相应的四个临界状态。此外,与规范公式的分析结果进行对比,规范公式容易过高地评估桥梁的横向抗倾覆能力。
2.在上述桥梁倾覆全过程分析中,依照盆式橡胶支座的真实构造,建立了支座的精细化三维有限元模型,准确模拟了盆式橡胶支座的受力承载状态,同时考虑下部结变形的影响,分析得到了上部结构倾覆过程中不同阶段支座的受力情况,明确桥梁受偏载作用下支座的易损位置。
3.针对可能影响桥梁抗倾覆能力的有关设计参数,如支座间距、边中跨比、曲率半径、桥墩高度等,改变相关参数取值,采用桥梁三维实体有限元模型,进行了相关参数取值对桥梁抗倾覆能力影响分析。结果表明:增加端部支座间距、增大边中跨比例都有利于提升桥梁的抗倾覆能力;桥梁抗倾覆能力并不是随着曲率半径的变化而单调变化,处于最不利曲率半径的曲线桥抗倾覆能力最弱,小曲率半径和直线箱梁桥具有相对较高的抗倾覆能力;对于较小曲率半径的曲线桥,中墩高度的增加会一定程度上促使上部结构的转角增大,且中墩高度的影响随着曲率半径的减小而逐渐增强。
4.为提高桥梁抗倾覆能力,部分设计者提出将桥梁中间独柱墩与主梁固结,此方法加强了上下部结构的联结,可有效提高上部结构的抗倾覆能力,但在上部结构倾覆过程中,固结的独柱墩将会受到很大的弯矩作用,有发生破坏的可能,且墩柱的变形也会影响上部结构的抗倾覆能力,目前人们对此问题还缺乏研究。本文对此问题进行了深入研究,计算中考虑了桥墩材料的非线性,分析了上部结构倾覆过程中墩柱的损伤情况。计算结果表明墩梁固结方式有效地提升了桥梁的整体抗倾覆能力,但是在偏载作用下,支座以及墩柱强度成为桥梁抗倾覆能力新的薄弱点;随着固结墩高度的增加,在相同荷载情况下上部结构的转角逐渐增大,则其抗倾覆能力逐渐减弱,但是桥墩的变形对主梁的转动角度的影响在进一步地加深;随着荷载的增大,桥墩的高度对桥梁抗倾覆能力的影响程度越明显。
1.采用ABAQUS软件建立了依托背景工程的实体有限元模型,考虑桥梁倾覆过程中的几何非线性、材料非线性以及接触非线性因素,进行了桥梁上部结构整体倾覆的全过程有限元分析。计算结果表明,桥梁上部结构倾覆的主要原因是偏载作用过大导致支座体系破坏,之后发生了上部结构倾覆,根据计算结果,桥梁倾覆全过程可以划分为四个阶段,得到相应的四个临界状态。此外,与规范公式的分析结果进行对比,规范公式容易过高地评估桥梁的横向抗倾覆能力。
2.在上述桥梁倾覆全过程分析中,依照盆式橡胶支座的真实构造,建立了支座的精细化三维有限元模型,准确模拟了盆式橡胶支座的受力承载状态,同时考虑下部结变形的影响,分析得到了上部结构倾覆过程中不同阶段支座的受力情况,明确桥梁受偏载作用下支座的易损位置。
3.针对可能影响桥梁抗倾覆能力的有关设计参数,如支座间距、边中跨比、曲率半径、桥墩高度等,改变相关参数取值,采用桥梁三维实体有限元模型,进行了相关参数取值对桥梁抗倾覆能力影响分析。结果表明:增加端部支座间距、增大边中跨比例都有利于提升桥梁的抗倾覆能力;桥梁抗倾覆能力并不是随着曲率半径的变化而单调变化,处于最不利曲率半径的曲线桥抗倾覆能力最弱,小曲率半径和直线箱梁桥具有相对较高的抗倾覆能力;对于较小曲率半径的曲线桥,中墩高度的增加会一定程度上促使上部结构的转角增大,且中墩高度的影响随着曲率半径的减小而逐渐增强。
4.为提高桥梁抗倾覆能力,部分设计者提出将桥梁中间独柱墩与主梁固结,此方法加强了上下部结构的联结,可有效提高上部结构的抗倾覆能力,但在上部结构倾覆过程中,固结的独柱墩将会受到很大的弯矩作用,有发生破坏的可能,且墩柱的变形也会影响上部结构的抗倾覆能力,目前人们对此问题还缺乏研究。本文对此问题进行了深入研究,计算中考虑了桥墩材料的非线性,分析了上部结构倾覆过程中墩柱的损伤情况。计算结果表明墩梁固结方式有效地提升了桥梁的整体抗倾覆能力,但是在偏载作用下,支座以及墩柱强度成为桥梁抗倾覆能力新的薄弱点;随着固结墩高度的增加,在相同荷载情况下上部结构的转角逐渐增大,则其抗倾覆能力逐渐减弱,但是桥墩的变形对主梁的转动角度的影响在进一步地加深;随着荷载的增大,桥墩的高度对桥梁抗倾覆能力的影响程度越明显。