抗傾覆穩(wěn)定性鋼箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定性分析

鋼箱梁橋具有抗扭剛度大、受力性能好、結(jié)構(gòu)自重輕、加工方便、施工期短等優(yōu)點(diǎn)，在城市高架橋中得到了廣泛的運(yùn)用，尤其在跨線等特殊場(chǎng)合下應(yīng)用非常方便。

在城市高架橋橋下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為減少占用橋下空間、增加視野和橋形美觀，橋墩往往采用獨(dú)柱支承方式。這種形式的鋼箱梁橋受力狀態(tài)較為復(fù)雜，對(duì)橫向抗傾覆穩(wěn)定非常不利。

抗傾覆穩(wěn)定性工程實(shí)例

1有限元模型的建立：

采用 Midas 建立連續(xù)鋼箱梁的有限元模型。箱梁頂寬 12.5 m，箱梁底寬 8.5 m，中心梁高 1.6 m。上部結(jié)構(gòu)共離散為 49個(gè)節(jié)點(diǎn)，48 個(gè)單元，單元最大長(zhǎng)度為 2 m。

連續(xù)鋼箱梁橋荷載取值如下：主梁自重由程序自動(dòng)計(jì)算，考慮到模型中未包含橫隔板等構(gòu)件重量，自重系數(shù)取 1.15；二期恒載包括防撞護(hù)欄與橋面鋪裝，以均布荷載計(jì)入；汽車荷載為公路 I 級(jí)，3 車道，利用 Midas 的車道偏載功能考慮 1~3 車道的偏載情況，取最不利的情況；溫度作用包括整體升、降溫與梯度溫度，參照規(guī)范選?。恢ё两悼紤]各墩不均勻沉降 1 cm。

2計(jì)算結(jié)果：

為了防止橋梁的橫向傾覆，設(shè)計(jì)中采用保證每一個(gè)支座都不出現(xiàn)負(fù)反力，即均不脫空的方式來(lái)進(jìn)行控制。

用 Midas 進(jìn)行建模計(jì)算，對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大負(fù)反力的原因?yàn)槠嚨钠d。

選取結(jié)構(gòu)的兩種典型工況進(jìn)行分析：

工況一：自重 二期恒載 汽車偏載最不利 支座沉降最不利；

工況二：自重 二期恒載 汽車偏載最不利 支座沉降最不利 整體升溫 梯度降溫。

兩種工況下，鋼箱梁橋在成橋狀態(tài)各種荷載組合下，端支座會(huì)出現(xiàn)負(fù)反力，即原設(shè)計(jì)存在橫向傾覆問題。

抗傾覆穩(wěn)定性結(jié)果分析

當(dāng)中墩支座不變，蓋梁上的支座間距由 6m 變?yōu)?6.8 m、7.2 m 時(shí)，結(jié)構(gòu)在工況三下的支座反力：端支座的間距越大，鋼箱梁橋在成橋狀態(tài)下的負(fù)反力值越小，結(jié)構(gòu)的橫向抗傾覆穩(wěn)定性越好。

當(dāng)端支座不變，中墩由單支座變?yōu)殡p支座時(shí)（支座間距也為 6 m），結(jié)構(gòu)在工況三下的支座反力：中墩設(shè)置雙支座以后，鋼箱梁橋在成橋狀態(tài)下不出現(xiàn)負(fù)反力，有利于結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定。

當(dāng)所有支座不變，在鋼箱梁兩端 5 m 的范圍內(nèi)灌注一半梁高的混凝土?xí)r，結(jié)構(gòu)在工況三下的支座反力：在設(shè)置一定的混凝土壓重的情況下，鋼箱梁橋在成橋狀態(tài)下不出現(xiàn)負(fù)反力，結(jié)構(gòu)的橫向抗傾覆穩(wěn)定性比原設(shè)計(jì)情況好。

以上三種方法如根據(jù)具體情況結(jié)合使用，也可以達(dá)到使結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)負(fù)反力，且優(yōu)化設(shè)計(jì)目的。

根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合某型高空作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用力矩法建立高空作業(yè)平臺(tái)抗傾覆穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型，并在3 種工況下對(duì)某一支腿布置方案穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算，得出單、雙人負(fù)載時(shí)高空作業(yè)平臺(tái)穩(wěn)定性系數(shù)范圍，結(jié)果表明高空作業(yè)平臺(tái)在其作業(yè)范圍內(nèi)可達(dá)到整體穩(wěn)定。

抗傾覆穩(wěn)定性高空作業(yè)平臺(tái)組成及工況分析

1 組成：

某型高空作業(yè)平臺(tái)總重約為 3 800 kg，上回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可繞底座旋轉(zhuǎn)360°，整體三維模型，包括支腿、回轉(zhuǎn)支承及車體、伸縮臂、飛臂和吊籃等部分。最大工作高度為 23 m，單人負(fù)載水平工作半徑為 12 m，雙人負(fù)載水平工作半徑為 9 m。

2 工況分析：

工況1： 伸縮臂全伸，伸縮臂與飛臂中心線重合，伸縮臂與水平夾角α 在單人負(fù)載、雙人負(fù)載時(shí)為 60° ～ 86°。

工況2： 伸縮臂與水平夾角保持不變，即雙人負(fù)載α 為 66°，單人負(fù)載α 為 60°，飛臂與水平夾角β 在0 ～ α 之間變化。

工況3： 伸縮臂與水平夾角α 變化范圍為雙人負(fù)載為 0 ～ 66°，單人負(fù)載為 0 ～ 60°，飛臂保持水平。

對(duì)3 種工況進(jìn)行力學(xué)分析，從而確定高空作業(yè)平臺(tái)的抗傾覆性能。

抗傾覆穩(wěn)定性建立抗傾覆穩(wěn)定性模型及求解

1 模型的建立：

借鑒已有起重機(jī)整體抗傾覆穩(wěn)定性的計(jì)算方法，采用力矩法分別求出穩(wěn)定力矩和傾覆力矩。吊籃、負(fù)載及飛臂重量為傾覆載荷，伸縮臂自重分為 2 部分，一部分自重認(rèn)為作用在伸縮臂根部 G_b ，可等效為穩(wěn)定力矩；另一部分自重 G_h 作用在伸縮臂端部，等效為傾覆力矩。

2 抗傾覆穩(wěn)定性模型求解

利用 Matlab 軟件對(duì)工作范圍曲線上穩(wěn)定性系數(shù)K 進(jìn)行分析計(jì)算，分別得出3 種工況下，支腿位于縱向距離l = 2 700 mm，橫向距離B = 5 485mm 布置方案且臂架回轉(zhuǎn)面在縱向距離l 位置情況下的穩(wěn)定性系數(shù)K 與伸縮臂、飛臂與水平線夾角α、β 的關(guān)系曲線。

1)工況1 時(shí)，在雙人負(fù)載和單人負(fù)載情況下，當(dāng)α 在60° ～ 86°范圍內(nèi)變化時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)K 隨著 α 的增加而增加。

2)工況2 時(shí)，在雙人負(fù)載和單人負(fù)載情況下，當(dāng)β 分別在0 ～ 66°和 0 ～ 60°范圍內(nèi)變化時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)K 隨β 的增加而增加。

3)工況3 時(shí)，在雙人負(fù)載和單人負(fù)載情況下，當(dāng)α 分別在0 ～ 66°和 0 ～ 60°范圍內(nèi)變化時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)K 隨α 的增加而減小。

分析計(jì)算得出與工況對(duì)應(yīng)的 K 值?？芍诵吞?hào)高空作業(yè)平臺(tái)在極限工作狀態(tài)抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)K 大于1，由此可根據(jù)規(guī)范判定其達(dá)到整體抗傾覆穩(wěn)定性。

抗傾覆穩(wěn)定性起重機(jī)的分組

在校核抗傾覆穩(wěn)定性時(shí)，根據(jù)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)特征、工作條件和對(duì)抗傾覆穩(wěn)定性的要求，將起重機(jī)分為四組。

抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算工況

起重機(jī)的抗傾覆穩(wěn)定性按下表工況進(jìn)行校核。

抗傾覆穩(wěn)定性危險(xiǎn)傾覆邊的確定

傾覆邊指起重機(jī)發(fā)生傾覆時(shí)繞其翻轉(zhuǎn)的軸線。

保證起重機(jī)具有足夠的抗傾覆穩(wěn)定性，是起重機(jī)設(shè)計(jì)中最基本的要求之一。國(guó)內(nèi)外對(duì)起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性的校核主要有三種方法：力矩法、穩(wěn)定系數(shù)法和按臨界傾覆載荷標(biāo)定額定起重量。

抗傾覆穩(wěn)定性抗傾覆計(jì)算的力矩法

這是我國(guó)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》所采用的方法，歐洲各國(guó)和日本等也廣泛使用。

力矩法校核抗傾覆穩(wěn)定性的基本原則是：作用于起重機(jī)上包括自重在內(nèi)的各項(xiàng)載荷對(duì)危險(xiǎn)傾覆邊的力矩代數(shù)和必須大于或至少等于0，即∑M≥0

抗傾覆穩(wěn)定性抗傾覆計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)法

這是以往我國(guó)沿用前蘇聯(lián)的一種方法，獨(dú)聯(lián)體國(guó)家仍然在使用。

穩(wěn)定系數(shù)定義為起重機(jī)所受的各種外力對(duì)傾覆邊產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩與傾覆力矩的比值，穩(wěn)定系數(shù)作為起重機(jī)抗傾覆能力的判據(jù)，不能小于規(guī)定值。穩(wěn)定系數(shù)有三種規(guī)定值：工作狀態(tài)考慮附加載荷的載重穩(wěn)定系數(shù)為1.15；工作狀態(tài)不考慮附加的載重穩(wěn)定系數(shù)為1.4；自重穩(wěn)定系數(shù)為1.15。

抗傾覆穩(wěn)定性按臨界傾覆載荷標(biāo)定額定起重量

這是西方國(guó)家許多起重機(jī)制造公司常用的方法。

這種方法是通過(guò)實(shí)驗(yàn)或計(jì)算，得出起重機(jī)在不同幅度下達(dá)到傾覆臨界狀態(tài)時(shí)的起升載荷，稱為“臨界傾覆載荷”，將其打折（乘以小于或等于1的系數(shù)）后，作為額定起升載荷。折扣的大小代表起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性的安全裕度。折扣越大或所乘系數(shù)越小，則抗傾覆穩(wěn)定性裕度越大。

現(xiàn)澆箱梁獨(dú)柱墩彎橋具有整體性能好、抗扭剛度大以及視覺通透、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)。但結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)又決定了其抗傾覆穩(wěn)定性對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性能存在極大影響。通過(guò)對(duì)某獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁彎橋結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，分析其原因，為消除相應(yīng)橋型的安全隱患提供了依據(jù)。

抗傾覆穩(wěn)定性抗傾覆驗(yàn)算分析

箱梁橋傾覆是在汽車荷載的作用下，單向受壓支座依次脫空，邊界條件失效而失去平衡的過(guò)程。結(jié)構(gòu)傾覆時(shí)，事前并無(wú)明顯表征，其危害性極大。

在作用標(biāo)準(zhǔn)值組合 （汽車荷載考慮沖擊作用） 下，單向受壓支座不應(yīng)處于脫空狀態(tài)。

（1） 對(duì)于正交橋梁、斜交角 30°以內(nèi)的斜交橋梁，傾覆軸線為位于箱梁橋中心線同側(cè)的橋臺(tái)支座連線。

（2） 對(duì)于彎橋，當(dāng)跨中橋墩全部支座位于橋臺(tái)外側(cè)支座連線內(nèi)側(cè)時(shí)，傾覆軸線為橋臺(tái)外側(cè)支座連線；當(dāng)跨中橋墩全部支座位于橋臺(tái)外側(cè)支座連線外側(cè)時(shí)，傾覆軸線取為一橋臺(tái)外側(cè)支座和跨中橋墩支座連線。

分析箱梁橋的傾覆過(guò)程，橋臺(tái)側(cè)支座容易脫空，這是傾覆過(guò)程的開始，此時(shí)結(jié)構(gòu)受力體系發(fā)生變化，因此，在作用標(biāo)準(zhǔn)值組合 （汽車荷載考慮沖擊作用） 下不應(yīng)出現(xiàn)支座脫空。

橋梁傾覆的前提條件是支座要脫空，通過(guò)檢查支座在汽車荷載下是否脫空，來(lái)判斷橋梁是否會(huì)傾覆。如果支座均未脫空，并且有很大富余量，則認(rèn)為此橋不會(huì)傾覆。

抗傾覆穩(wěn)定性結(jié)論

根據(jù)恒載和汽車荷載的計(jì)算結(jié)果，該橋支座在工況一和工況二均未產(chǎn)生負(fù)反力，不會(huì)發(fā)生支座脫空的現(xiàn)象。但在工況三的作用下，兩個(gè)橋臺(tái)部分支座在汽車荷載作用下出現(xiàn)負(fù)反力，應(yīng)盡量避免該工況發(fā)生；支座承載力基本滿足設(shè)計(jì)要求；出現(xiàn)負(fù)反力后，經(jīng)過(guò)傾覆系數(shù)計(jì)算，傾覆系數(shù)均大于 2.5。通過(guò)對(duì)三個(gè)工況橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的驗(yàn)算可見，橋梁雖然能夠滿足抗傾覆穩(wěn)定性的要求，但在超載重車的作用下則會(huì)出現(xiàn)支座脫空，給正常運(yùn)營(yíng)的獨(dú)柱墩橋梁的安全性帶來(lái)很大隱患。應(yīng)加強(qiáng)正在運(yùn)營(yíng)的獨(dú)柱墩橋梁的檢測(cè)和動(dòng)態(tài)觀察，制定有效的檢測(cè)措施，確保其安全運(yùn)營(yíng)。

抗傾覆穩(wěn)定性是獨(dú)柱墩橋梁，尤其是獨(dú)柱墩彎橋的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算是必要的。當(dāng)前無(wú)相關(guān)規(guī)范對(duì)橋梁的抗傾覆安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，在獨(dú)柱墩橋梁建設(shè)的實(shí)際工作中，應(yīng)該對(duì)橋梁建設(shè)進(jìn)行全方位、多角度的考慮，提高結(jié)構(gòu)的可靠度，保證橋梁安全，為車輛的安全通行創(chuàng)造良好條件。對(duì)于已修建好的橋梁，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)交通的組織和管理，考慮車輛通行對(duì)橋梁可能帶來(lái)的不利影響，避免過(guò)度超載的車輛在橋上行駛，保證車輛的安全通行，保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全。 2100433B