一、梁桥倾覆机理与计算原则
对事故桥梁的分析,发现这些倾覆事故具有如下特点:梁部整体倾覆(翻落、滑落),梁体和墩台本身无结构性破坏,或倾覆过程中由于梁体的倾斜致使独柱墩倾斜或倒塌,进而引起梁体完全倾覆。没有因梁体本身强度不足而产生的扭断或弯断、墩台强度或稳定性不足首先倒塌或严重倾覆而导致的垮塌等现象。
根据以上特点,结合结构受力特征分析,并参考已发表的一些文献,可大体对其倾覆机理描述如下:梁体结构在偏载作用下发生弯曲和扭转变形,导致支座反力重分配。当偏载加大到一定程度时,远离倾覆轴的单向受压支座逐渐脱空,结构约束体系发生变化,梁体绕倾覆轴线转动,随着偏载继续增加,梁体的转动继续加大,转动角到达一定程度时,梁体开始侧向滑移,引发桥梁倾覆。此过程中可能还因梁体转动倾斜而产生对独柱墩的侧向作用力,使独柱墩发生大的侧向变形甚至破坏,从而加快梁体的倾覆。
在上述倾覆发生的过程中,梁体运动始终是结构变形和刚体运动的结合模式,只不过在支座脱空前,结构变形导致的位移占主要成分。支座脱空后,刚体运动逐渐占主要成分。但不管二者谁占主要成分,最终发生倾覆都是梁体整个翻落或滑落,因此从梁体的平衡关系入手,寻求合理的计算分析方法是可行的。值得注意的是,这里的平衡关系中,支座反力和荷载力矩必须按照结构受力状态取值,也就是说要考虑结构变形、约束体系改变、梁横截面扭转中心与支承点不重合等对支座反力和结构受力的影响。如果要作更精确的过程分析,还须考虑结构变形和运动对荷载的非线性影响。注意,并非只有扭转变形才影响倾覆,弯曲变形也影响支座反力重分布,而且在弯梁桥中,弯扭本来就是耦合的。无论采用简化的设计计算方法还是复杂的有限元空间分析方法,都应在充分理解倾覆机理和结构破坏过程的基础上建立正确的数学模型来实施计算,否则就会得出不正确的结果。
另一个值得注意的问题是,进行抗倾覆分析时,不能仅仅考虑梁的每个横截面内的受力关系,而是要把整个梁体作为一个空间的弹性体来考虑其倾覆运动。(内容来源—李乔说桥)
事故桥梁的破坏过程表现为,单向受压支座脱离正常受压状态,上部结构的支承体系不再提供有效约束,上部结构扭转变形趋于发散、横向失稳垮塌,支座、下部结构连带损坏,如图 4-2。按照现行《工程结构可靠性设计统一标准》(GB 50153)的规定,这类破坏属于承载能力极限状态范畴。
倾覆过程存在 2 个明确特征状态:在特征状态 1箱梁的单向受压支座开始脱离受压;在特征状态 2箱梁的抗扭支承全部失效。
针对特征状态 1,作用基本组合下,箱梁桥的单向受压支座处于受压状态。
针对特征状态 2, 箱梁桥同一桥墩的一对双支座构成一个抗扭支承,起到对扭矩和扭转变形的双重约束;当双支座中一个支座竖向力变为零、失效后,另一个有效支座仅起到对扭矩的约束,失去对扭转变形的约束;当箱梁的抗扭支承全部失效时,箱梁处于受力平衡或扭转变形失效的极限状态。
对事故桥梁的分析,发现这些倾覆事故具有如下特点:梁部整体倾覆(翻落、滑落),梁体和墩台本身无结构性破坏,或倾覆过程中由于梁体的倾斜致使独柱墩倾斜或倒塌,进而引起梁体完全倾覆。没有因梁体本身强度不足而产生的扭断或弯断、墩台强度或稳定性不足首先倒塌或严重倾覆而导致的垮塌等现象。
根据以上特点,结合结构受力特征分析,并参考已发表的一些文献,可大体对其倾覆机理描述如下:梁体结构在偏载作用下发生弯曲和扭转变形,导致支座反力重分配。当偏载加大到一定程度时,远离倾覆轴的单向受压支座逐渐脱空,结构约束体系发生变化,梁体绕倾覆轴线转动,随着偏载继续增加,梁体的转动继续加大,转动角到达一定程度时,梁体开始侧向滑移,引发桥梁倾覆。此过程中可能还因梁体转动倾斜而产生对独柱墩的侧向作用力,使独柱墩发生大的侧向变形甚至破坏,从而加快梁体的倾覆。
在上述倾覆发生的过程中,梁体运动始终是结构变形和刚体运动的结合模式,只不过在支座脱空前,结构变形导致的位移占主要成分。支座脱空后,刚体运动逐渐占主要成分。但不管二者谁占主要成分,最终发生倾覆都是梁体整个翻落或滑落,因此从梁体的平衡关系入手,寻求合理的计算分析方法是可行的。值得注意的是,这里的平衡关系中,支座反力和荷载力矩必须按照结构受力状态取值,也就是说要考虑结构变形、约束体系改变、梁横截面扭转中心与支承点不重合等对支座反力和结构受力的影响。如果要作更精确的过程分析,还须考虑结构变形和运动对荷载的非线性影响。注意,并非只有扭转变形才影响倾覆,弯曲变形也影响支座反力重分布,而且在弯梁桥中,弯扭本来就是耦合的。无论采用简化的设计计算方法还是复杂的有限元空间分析方法,都应在充分理解倾覆机理和结构破坏过程的基础上建立正确的数学模型来实施计算,否则就会得出不正确的结果。
另一个值得注意的问题是,进行抗倾覆分析时,不能仅仅考虑梁的每个横截面内的受力关系,而是要把整个梁体作为一个空间的弹性体来考虑其倾覆运动。(内容来源—李乔说桥)
事故桥梁的破坏过程表现为,单向受压支座脱离正常受压状态,上部结构的支承体系不再提供有效约束,上部结构扭转变形趋于发散、横向失稳垮塌,支座、下部结构连带损坏,如图 4-2。按照现行《工程结构可靠性设计统一标准》(GB 50153)的规定,这类破坏属于承载能力极限状态范畴。
倾覆过程存在 2 个明确特征状态:在特征状态 1箱梁的单向受压支座开始脱离受压;在特征状态 2箱梁的抗扭支承全部失效。
针对特征状态 1,作用基本组合下,箱梁桥的单向受压支座处于受压状态。
针对特征状态 2, 箱梁桥同一桥墩的一对双支座构成一个抗扭支承,起到对扭矩和扭转变形的双重约束;当双支座中一个支座竖向力变为零、失效后,另一个有效支座仅起到对扭矩的约束,失去对扭转变形的约束;当箱梁的抗扭支承全部失效时,箱梁处于受力平衡或扭转变形失效的极限状态。