JTG33622018钢筋混凝土设计规范培训课件箱梁桥抗倾覆设计方法

中交公路规划设计院有限公司李会驰高级工程师2018年9月~10月北京、广州、南京、武汉、西安《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG3362-2018宣贯修订内容详解：箱梁桥抗倾覆设计方法2汇报提纲一、规范条文二、适用对象三、验算方法四、防治措施五、应用示例3一、规范条文4.1.8条规定了箱梁桥的抗倾覆验算要求验算+构造两类要求4一、规范条文9.6.9条规定了箱梁桥的抗倾覆构造要求验算+构造两类要求避免采用连续的独柱单支座式结构5一、规范条文验算+构造两类要求适用对象验算方法防治措施哪些桥梁会发生横向倾覆？为什么横向倾覆？如何避免横向倾覆？6汇报提纲一、规范条文二、适用对象三、验算方法四、防治措施五、应用示例7二、适用对象1典型倾覆事件内蒙古包头A桥时间2007年10月上部结构简支钢箱梁下部结构小间距双支座+花瓶墩结构破坏情况三辆单车重约100t重车偏载通行，主梁绕中心轴一侧支座倾覆，钢主梁、混凝土桥墩无结构性破坏81典型倾覆事件天津B桥时间2009年7月上部结构钢筋混凝土结构连续梁桥，（17.5+22+22+17.5）m+30m下部结构单支座+独柱墩结构破坏情况三辆单车重约140t重车偏载通行，整体倒塌，倒塌后的桥梁结构整体性基本完好二、适用对象91典型倾覆事件江苏南京C桥时间2010年11月上部结构简支钢箱梁下部结构小间距双支座结构破坏情况受拉支座锚栓未灌浆，梁体与桥墩间无锚固连接；浇筑护栏产生了偏心荷载，使得钢箱梁侧翻坠落二、适用对象101典型倾覆事件浙江上虞D桥时间2011年2月上部结构6×20m钢筋混凝土结构连续梁桥下部结构单支座+独柱墩结构破坏情况三辆单车重约120t的重车偏载通行，梁体发生扭转倾斜并向右侧滑移，结构整体性保持基本完好二、适用对象111典型倾覆事件黑龙江哈尔滨E桥时间2012年8月上部结构钢-混凝土组合结构连续梁桥，跨径布置为36+50+36m下部结构单支座+独柱墩结构破坏情况四辆单车重约120t重车偏载通行，主梁翻落至底面，结构整体性基本完好，盖梁局部破损二、适用对象121典型倾覆事件广东河源F桥时间2015年6月上部结构预应力混凝土结构连续梁桥，跨径布置为3×25m下部结构单支座+独柱墩结构破坏情况三辆单车重约120t重车偏载通行，主梁翻落至底面，结构整体性基本完好二、适用对象131典型倾覆事件倾覆桥梁的共同特征截面形式整体式箱梁支承形式单向受压支座，过渡墩和桥台为双支座，跨中为单支座破坏原因偏心荷载作用，结构的支承体系失效破坏类型事前无明显预兆、猝然发生；事后结构整体性基本完好桥梁名称跨径布置m汽车荷载总重t设计汽车实际重车天津B桥17.5+22+22+17.51744832.78浙江D桥6×202073901.88黑龙江E桥36+50+361944852.49广东F桥3×251103603.27重载车辆设计荷载参照《工程结构可靠性设计统一标准》，结构或其部分作为刚体失去静力平衡二、适用对象14二、适用对象2结构形式调研独柱墩箱梁桥广泛应用于公路互通、城市道路立交枢纽结构形式箱梁+单支座的独柱式桥墩适用条件占地条件受限的立交匝道桥优点线条流畅、视觉通透、外形美观、节约占地15二、适用对象2结构形式调研桥面宽度B基本在8～11m跨数n约98%的箱梁桥跨数在5跨以内边中跨比η约97%的箱梁桥边中跨比η≥0.6联长L约97%的箱梁桥联长在200m内平曲线半径R约90%的箱梁桥平曲线半径R≥90m墩梁连接形式墩梁固结和支座连接两类16二、适用对象2结构形式调研结构体系•连续梁体系结构分类•支座支承的箱梁桥墩梁固结的独柱墩双支座的独柱墩单支座的独柱墩•刚构体系合并•刚构-连续组合体系•联中固结的箱梁桥边跨跨中受弯破坏边支座附近受剪破坏中墩附近受剪破坏中跨跨中受弯破坏中墩附近受弯破坏墩顶附近偏压破坏墩底附近偏压破坏主梁、桥墩等构件的承载力或受压稳定性控制17二、适用对象2结构形式调研典型支座布置支座支承的箱梁桥上部结构采用整体箱梁或板梁、下部结构全部或部分采用单支座的梁桥第4.1.8条第2款整体式截面简支梁和连续梁的作用效应应满足抗倾覆要求参照《工程结构可靠性设计统一标准》，结构或其部分作为刚体失去静力平衡18汇报提纲一、规范条文二、适用对象三、验算方法四、防治措施五、应用示例19三、验算方法1研究现状采用有限元模型，分析倾覆过程和机理——同济大学石雪飞教授分析模型倾覆过程破坏类型•箱梁沿转动轴翻转•支反力重分配，盖梁受剪破坏•水平力显著增大，桥墩受剪破坏20三、验算方法21三、验算方法1研究现状采用有限元模型，分析倾覆过程和机理——浙工大彭卫兵教授破坏类型•箱梁沿转动轴翻转•箱梁转角过大，使支座挤出•箱梁转角过大，使箱梁滑移•桥墩偏心受压破坏车-主梁-支座-桥墩间采用受压-剪切接触的三维数值模型在倾覆过程中，桥梁支座的受力状态不断变化：正常受压-局部脱空-失效22三、验算方法23N1’N1”N2NiNn”Pkqk三、验算方法1研究现状采用有限元模型，分析倾覆过程和机理——北京市政•在偏心荷载作用下，随着主梁扭转效应的增加，边支座出现脱空，主梁支承体系发生变化；•随着荷载的进一步增加，中墩支座破坏导致结构转化为机构，无法再次达到平衡状态中墩铰接曲线型独柱支承式梁桥中墩铰接直线型独柱支承式梁桥破坏类型倾覆过程•边墩支座脱空和中墩支座转角达到0.03rad，作为中墩铰接独柱支承梁式桥的倾覆临界状态24三、验算方法1研究现状对倾覆过程形成了统一认识，但倾覆临界状态不一致•在偏心荷载作用下，单向受压支座依次脱离受压状态，箱梁的支承体系不再提供有效约束，箱梁扭转变形趋于发散，箱梁横向失稳垮塌，支座、下部结构连带损坏破坏类型倾覆过程•墩支座转角达到0.03rad•箱梁转角过大，使支座挤出•箱梁转角过大，使箱梁滑移•支反力重分配，桥墩偏心受压破坏•支反力重分配，盖梁受剪破坏•水平力显著增大，桥墩受剪破坏•箱梁沿转动轴翻转25三、验算方法1研究现状国内典型省区未形成统一的抗倾覆验算要求项目支座受压扭转变形刚体平衡国外规范美国AASHTOLRFDSpecification√日本道桥示方书√国内规范公路桥涵地基与基础设计规范JTGD63√铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范TB10002.3√地方省市北京－独柱支承桥梁结构内力及稳定性分析√√天津市市政公路箱梁匝道桥设计暂行规定√√浙江-关于进一步提高公路工程设计质量的若干意见√•竖向荷载小于支座竖向承载能力的20%•在恒+风、恒+2汽车作用下，支反力不为负•稳定效应/失稳效应≥1.3～1.5•稳定效应/失稳效应≥1.3•边墩支座脱空的安全系数≥1.5，中墩支座转角达到0.03rad的安全系数大于等于2.5•边墩支座脱空的安全系数≥1.3，稳定效应/失稳效应≥2.5•采用1.3倍公路-I级车道荷载、1.2倍55t车队荷载（间距10m）验算支座支反力26三、验算方法2典型桥梁的倾覆分析分析了天津B桥和广东河源F桥的倾覆过程•实体模型：主梁、支座和墩台采用solid45•边界条件：梁与支座连接、支座与墩台连接均采用targe170/conta173接触单元•作用：结构自重、混凝土收缩徐变、预应力和重车按照实际情况施加27三、验算方法2典型桥梁的倾覆分析分析了天津B桥和广东河源F桥的倾覆过程天津B桥广东河源F桥28三、验算方法3倾覆特征状态倾覆过程与特征状态箱梁变形发散正常状态某一单向受压支座脱空单向支座依次持续脱空整联箱梁抗扭支承失效特征状态1特征状态2•墩支座转角达到0.03rad•箱梁转角过大，使支座挤出•箱梁转角过大，使箱梁滑移•支反力重分配，桥墩偏心受压破坏•支反力重分配，盖梁受剪破坏•水平力显著增大，桥墩受剪破坏•箱梁沿转动轴翻转特征状态1特征状态2•与日美桥规、北京天津浙江等地方标准的规定一致•与现阶段相关研究提出的倾覆临界状态，更为明确、统一，且偏于安全29三、验算方法3倾覆特征状态倾覆过程与特征状态0.5de-0.5d支座1-1和支座3-1失效前后弯矩及剪力分布的对比-2000200400600800100012001611162126313641465支座3支座单元弯矩（KNm）弯矩0tlTdlGI02250radll2250radl无30三、验算方法4特征状态的验算要求总体原则倾覆破坏本质•在偏心荷载作用下，单向受压支座依次脱离受压状态，箱梁支承体系不再提供有效约束，箱梁扭转变形趋于发散，箱梁横向失稳垮塌，支座、下部结构连带损坏31三、验算方法4特征状态的验算要求特征状态1的验算要求验算项目•单向受压支座的受压状态安全系数•基本组合（1.0恒+1.4活）隐含安全系数为1.4，与现有成果持平•与构件的承载力验算协调一致项目支座受压对应的安全系数北京独柱支承桥梁结构内力及稳定性分析1.5天津市市政公路箱梁匝道桥设计暂行规定1.3浙江关于进一步提高公路工程设计质量的若干意见1.3上海地区梁桥横向稳定安全性评估方法及对策研究1.5构件名称破坏模式验算要求作用组合验算内容主梁受弯破坏基本组合弯矩组合设计值≤抗弯承载力受剪破坏剪力组合设计值≤抗剪承载力，剪力扭矩组合设计值≤剪扭承载力桥墩受压破坏基本组合轴力弯矩组合设计值≤偏压承载力受压失稳稳定系数限值≤稳定系数计算值32三、验算方法4特征状态的验算要求特征状态2的验算要求——表达式验算项目•参考挡土墙、刚性基础的横向倾覆验算，采用“稳定作用效应≥稳定性系数×失稳作用效应”的表达式bk,iqfsk,iSkS需要确定三类参数•稳定作用效应•失稳作用效应•稳定性安全系数•忽略了倾覆过程中箱梁、支座和墩台的相互作用；•忽略了箱梁的弯剪扭复合受力状态；•忽略了传统倾覆稳定计算方法的适用条件；•不能反映抗扭长度对抗倾覆性能的影响箱形中心线倾覆轴线汽车荷载加载位置内侧外侧《混凝土桥规》征求意见稿采用：沿转动轴翻转的刚体受力平衡：抗倾覆力矩/汽车荷载的倾覆力矩≥2.533三、验算方法4特征状态的验算要求特征状态2的验算要求——效应计算稳定效应∑Sbk,i=∑RGili失稳效应∑Ssk,i=∑RQiliRGi——在永久作用下，第i个桥墩处失效支座的支反力，按全部支座有效的支承体系计算确定，按标准值组合取值li——第i个桥墩处失效支座与有效支座的中心间距RQi——在可变作用下，第i个桥墩处失效支座的支反力，按全部支座有效的支承体系计算确定，按标准值组合取值，汽车荷载效应（考虑冲击）按各失效支座对应的最不利布置形式取值稳定效应和失稳效应，采用失效支座的支反力来计算，与倾覆过程中支反力变化情况一致34三、验算方法4特征状态的验算要求特征状态2的验算要求——效应计算稳定效应和失稳效应计算方法适用于简支梁R1g=R2g=R3g=R4g=gl/4R1Q=··(0.5−R3Q=··(0.5−0.5de-0.5d35三、验算方法4特征状态的验算要求特征状态2的验算要求-效应计算稳定效应和失稳效应计算，在分析连续梁桥时，偏差约为1.2～1.4样本桥梁数量：53个桥梁直桥：20-40m跨径、2跨-4跨弯桥：20-40m跨径、2跨-4跨曲线半径100m-600m支座布置：跨中全部单支座、跨中单支座与双支座交叉项目简化方法得到k值/非线性有限元得到k值平均值1.20标准差0.12最大差值1.40分析方法•考虑非线性的有限元分析方法•稳定效应和失稳效应简化计算方法•分析恒载+k倍汽车荷载作用下,结构失稳时的k值36三、验算方法4特征状态的验算要求特征状态2的验算要求——稳定性系数考虑简化方法偏差和重车密布不利工况，确定稳定性系数取2.5•对跨径20～40m、联长20～200m的箱梁桥，55t车辆组成的车队产生的失稳效应是公路-I级车道荷载标准值效应的1.80倍；•1.1（结构重要性系数）×1.3