201901027-梁桥横向倾覆失效机理及抗倾覆设计加固方法

梁桥横向倾覆失效机理及抗倾覆设计加固方法石雪飞同济大学桥梁工程系2019年10月27日南昌规划设计研究院技术交流梁桥横向稳定安全性评估方法引言梁桥支承布置基本概念梁桥倾覆机理抗倾覆验算方法养护、加固方法主要结论同济大学梁桥工程系施工与信息技术研究室梁桥横向稳定安全性评估方法引言梁桥支承布置基本概念梁桥倾覆机理抗倾覆验算方法养护、加固方法主要结论同济大学梁桥工程系施工与信息技术研究室一、引言2007年至2019年，我国发生了多起梁桥倾覆事故，梁桥横向稳定安全问题日益受到关注；2007年包头民族东路高架侧倾（主线）2009年津晋高速匝道桥侧倾2010年南京内环高架匝道施工中侧倾2011年上虞市春晖互通立交匝道侧倾2012年哈尔滨阳明滩大桥匝道桥侧倾2015年赣粤高速河源出口匝道桥侧倾2016年5月上海中环沪太路跨线桥侧倾（未落梁）2017年4月萧山工人路匝道桥倾覆2019年10月江苏无锡312国道跨线桥侧倾其它匝道桥支座脱空、梁体倾斜、梁体侧移情况不胜枚举2007年包头民族东路高架侧倾一、引言2009年津晋高速匝道桥侧倾一、引言2010年南京内环高架匝道施工中侧倾一、引言2011年上虞市春晖互通立交匝道侧倾一、引言2012年哈尔滨阳明滩大桥匝道桥侧倾一、引言2015年赣粤高速河源出口匝道桥侧倾一、引言 2016年上海中环线高架侧倾（未倾覆）一、引言2017年萧山高架工人路匝道倾覆（无荷载）一、引言2019年江苏无锡312国道跨线桥倾覆一、引言其它险情一、引言施工中一侧端支座脱空运营中箱梁严重倾斜运营中箱梁向曲线外侧移动这些问题在很多省份多次发生过一、引言需要解决的问题为什么会支座脱空为什么弯桥会侧向移动什么情况下会倾覆规范设计荷载在进行倾覆验算时是否安全新桥如何设计已建桥如何治理梁桥横向稳定安全性评估方法引言梁桥支承布置基本概念梁桥倾覆机理抗倾覆验算方法养护、加固方法主要结论同济大学梁桥工程系施工与信息技术研究室梁桥竖向支承布置形式简支静定曲梁（不能实际使用）简支超静定曲梁全抗扭支承连续梁中间点铰支承连续梁抗扭、点铰交替连续梁二、梁桥支承布置基本概念梁桥竖向支承布置形式直线桥与曲线桥在偏心荷载作用下的扭矩比较大半径梁桥不宜设计多跨连续独柱墩二、梁桥支承布置基本概念弯桥水平向约束布置形式径向变形：温度、收缩切向变形：预应力、徐变二、梁桥支承布置基本概念弯桥水平向约束布置形式纵向与横向约束在相同位置上海市南浦大桥浦东引桥连续弯箱梁支承布置主梁横向受弯，线刚度低，弯矩不大二、梁桥支承布置基本概念弯桥水平向约束布置形式纵向与横向约束在不同位置深圳华强路立交匝道支承布置主梁横向完全不受弯多向活动单向活动限位钢棒限位钢棒二、梁桥支承布置基本概念弯桥水平向约束布置形式各约束均正常工作时，主梁夏天向内平移，冬天反向如果伸缩缝被垃圾堵死，则全梁相当于平面拱深圳华强北路立交2000年夏突然平面侧移的主要原因，不是偏载！二、梁桥支承布置基本概念弯桥水平向约束布置形式曲线箱梁逐渐向曲线外侧移动的原因：弯梁有向外扭转的变形向下容易，向上回不来离心力桥墩反力水平分力桥墩反力竖向分力二、梁桥支承布置基本概念弯连续梁预应力张拉后支座脱空的原因对称截面、对称布置的预应力不产生初扭矩)(hRzFVNFzMM)()(hRzhhzFTFN)(hRhFVMFhMN二、梁桥支承布置基本概念弯连续梁预应力张拉后支座脱空的原因对称截面、对称布置的预应力不产生初扭矩竖向弯曲产生次反力产生次扭矩计算连续弯桥支反力时必须考虑预应力的作用次反力ab二、梁桥支承布置基本概念梁桥横向稳定安全性评估方法引言弯桥支承布置基本概念梁桥倾覆机理抗倾覆验算方法养护、加固方法主要结论同济大学梁桥工程系施工与信息技术研究室梁桥在什么情况下会侧倾？三、梁桥倾覆机理小变形假定下，即使是直桥，除非主梁很轻，几乎不会侧倾汽车位于支座连线外侧的力矩大于恒载回复力矩时，主梁直接侧翻，只有小支座间距钢梁宽桥会出现桥梁中心线支座中心连线箱梁扭转后对桥墩的水平分力a）b）2.6A-2A-1BCD-2D-1哈尔滨阳明滩桥匝道汽车荷载位置梁桥在什么情况下会侧倾？三、梁桥倾覆机理包头民族路高架大宽度、小支座间距钢梁，车重151+153+151t直接横向失稳倾覆倾覆原因之一：横向荷载平衡失稳以最外侧支座连线为界计算内外侧重量对该线的力矩外侧力矩大于内侧力矩时失稳不需考虑几何非线性影响单跨或少跨主梁的抗弯惯矩无穷大1-11-22345-15-21-11-22345-15-21-11-22345-15-21-11-22345-15-21-11-2234-14-21-11-2234-14-21-11-2234-14-2三、梁桥倾覆机理倾覆原因之一：横向荷载平衡失稳三、梁桥倾覆机理倾覆原因之一：横向荷载平衡失稳三、梁桥倾覆机理上海中环线高架抗倾覆系数：规范荷载2.0，事故车作用下0.8事故结果分析传统验算方法倾覆稳定系数2.5bkqfskSKS哈尔滨(7992.662401.3)29.5(12210.5360)1.3qf(7992.662401.3)23.9(4848)1.07qf浙江上虞124411.416.5(12010.5240)0.7qfkNmkNm（规范荷载下）（事故荷载下）124411.47.53322.50.7qfkNmkNm跨路口的小间距双支座简支钢梁或钢混组合梁容易直接压翻连续梁极少数是由于重车直接压翻的。广东河源7.9一辆车6，两辆车2.5312国道3辆车1.1梁桥在什么情况下会侧倾？大变形假定下，考虑主梁在偏载作用下某些支座脱空后，有很大的扭转位移支反力会发生剧烈重分布桥墩的强度不满足要求，盖梁、桥墩切断或折断或者主梁剧烈倾斜从支座上下滑主梁倒塌桥梁中心线支座中心连线箱梁扭转后对桥墩的水平分力a）b）三、梁桥倾覆机理503636913.52418.516.620181号车2号车3号车4号车事故梁桥倾覆过程非线性数值模拟1MNMX-.369E+08-.308E+08-.247E+08-.186E+08-.126E+08-.647E+07-386183.570E+07.118E+08.179E+08NODALSOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1SZ(AVG)RSYS=0DMX=.015767SMN=-.369E+08SMX=.179E+08UFACEL1MNMXXYZoverturning-3.413-2.837-2.26-1.684-1.107-.530436.046129.6226941.1991.776NODALSOLUTIONSTEP=1SUB=10TIME=1UZ(AVG)RSYS=0DMX=3.625SMN=-3.413SMX=1.776采用空间三维实体有限元模型根据实际车辆轴载大小和位置加载与传统分析不同，考虑支座脱空、梁体大位移影响三、梁桥倾覆机理倾覆过程数值模拟倾覆的开始：支座脱空倾覆的标志：梁体极大转角支座脱空结构转角急剧增加事故桥梁倾覆过程模拟三、梁桥倾覆机理倾覆过程数值模拟三、梁桥倾覆机理非线性分析线性分析397870386545296591761810141681241MNMXXYZoverturning-3.413-2.837-2.26-1.684-1.107-.530436.046129.6226941.1991.776NODALSOLUTIONSTEP=1SUB=10TIME=1UZ(AVG)RSYS=0DMX=3.625SMN=-3.413SMX=1.7761MNMXXYZoverturning-1.003-.791122-.579331-.36754-.15575.056041.267832.479622.691413.903204NODALSOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1UZ(AVG)RSYS=0DMX=1.285SMN=-1.003SMX=.903204支座反力支座反力倾覆原因之二：竖向反力重分配梁体相对中支座有上移的趋势，中间支座反力减小梁端未脱空一侧支座反力激增支座竖向反力重分布，端支座受力不利三、梁桥倾覆机理反力激增脱空反力减小010203040050010001500200025003000Fy(kN)Load(kN/m)Fy1-1Fy1-2Fy20102030400200040006000800010000Fy(kN)Load(kN/m)F1-1F1-2F2F3分析了不同结构形式、跨径布置梁桥的倾覆过程相同点：梁端支座一侧脱空，另一侧端反激增不同点：中间支座脱空的先后顺序不同结构形式下，梁端支座桥墩在倾覆过程中的竖向受力最不利1MNMXXYZBeam_Yanxi.978491.978935.979378.979822.980266.98071.981154.981598.982042.982486NODALSOLUTIONSTEP=21SUB=4TIME=21ROTX(AVG)RSYS=0DMX=4.683SMN=.978491SMX=.982486UFACEL1MNMXXYZBeam-analysis.004766.389487.7742071.1591.5441.9282.3132.6983.0833.467NODALSOLUTIONSTEP=1SUB=31TIME=1USUM(AVG)RSYS=0DMX=3.467SMN=.004766SMX=3.467UFACEL倾覆原因之二：竖向反力重分配三、梁桥倾覆机理1MNMX-.369E+08-.308E+08-.247E+08-.186E+08-.126E+08-.647E+07-386183.570E+07.118E+08.179E+08NODALSOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1SZ(AVG)RSYS=0DMX=.015767SMN=-.369E+08SMX=.179E+08UFACEL倾覆原因之二：竖向反力重分配三、梁桥倾覆机理对比方案计算模式水平反力（单位：kN）A1-1BCD1-1形心约束线性0000实际约束线性-117412121081-1119非线性-185318961749-1791形心约束实际约束形心约束实际约束约束支座处水平位移，计算的水平反力（对于下部结构是偏安全的）分析不同计算模式对水平力计算结果的影响倾覆过程墩梁间存在水平力作用传统形心约束计算模式，算不出水平力倾覆原因之三：墩梁水平力三、梁桥倾覆机理浙江上虞立交事故桥桥墩水平向抗力不足倾覆原因之三：墩梁水平力中墩强度验算（偏压构件）S=20000kNR=704kN，强度不满足三、梁桥倾覆机理三、梁桥倾覆机理Ur扭矩转动水平位移urdφUv竖向荷载水平位移梁体倾斜后，竖向荷载作用下产生压迫桥墩的水平位移Uv梁体转动产生离开桥墩的水平位移UrUv和Ur共同形成梁体对支座桥墩的水平位移趋势，转角不大时，主梁压迫桥墩，转角超过一定值，主梁反向位移，脱离桥墩转动引起的主梁和桥墩间的水平位移，形成墩梁间的水平力020406080100-1.6-1.2-0.8-0.40.00.40.81.21.6U(m)Rotation(°)UrUvU脱离桥墩压迫桥墩倾覆原因之三：墩梁水平力三、梁桥倾覆机理梁体无转动时，无支座水平反力一定转角范围内，转角增加水平反力增大超过临界转角值，梁体转动脱离支座，计算得到负反力(实际负反力不会出现)水平反力与梁体转角存在相关性010203040-600-400-20002004006008001000Fz3RotationLoad(kN/m)Fz(kN)020406080100Rotat