連續(xù)箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定性分析

肜 輝

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計(jì)院，河南鄭州 450001)

在城市高架橋梁的設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中，由于地面道路的存在，需要盡量?jī)?yōu)化橋下空間，造成橫向支承距離較小的橋墩形式的大量應(yīng)用，這種橋墩形式不僅節(jié)省橋下土地空間，還有利于視野的通透性，橋墩造型也比較美觀。這種橋墩形式的過(guò)度使用，也導(dǎo)致了一些橋梁橫向失穩(wěn)甚至垮塌。2007年以來(lái)，天津、南京、哈爾濱、開(kāi)封、河源等地陸續(xù)出現(xiàn)匝道橋梁側(cè)向失穩(wěn)甚至垮塌的事故。事故橋梁有一些共同的特點(diǎn)：上部結(jié)構(gòu)為單向受壓支座支承的整體式連續(xù)箱梁，橋臺(tái)或交接墩處采用兩個(gè)支座支承，其余橋墩全部或者部分采用一個(gè)支座支承。為保障城市高架橋梁的運(yùn)營(yíng)安全，在橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性分析勢(shì)在必行。

研究發(fā)現(xiàn)：橡膠支座的變形會(huì)降低箱梁的橫向傾覆穩(wěn)定性[1]，支座間距對(duì)整體箱梁的橫向受力有較大影響[2]，而且支座間距的變化會(huì)引起整體箱梁傾覆軸線位置的變化，對(duì)支座反力的分布及整體箱梁的抗傾覆性能也有一定影響[3]；也有學(xué)者認(rèn)為車(chē)輛偏載是造成橋梁傾覆的主要原因[4]。王磊等利用推導(dǎo)公式對(duì)部分匝道的抗傾覆系數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)算，認(rèn)為結(jié)構(gòu)自重、橋面寬度及支座間距是影響橋梁抗傾覆能力的重要因素[5]。目前，行業(yè)內(nèi)僅對(duì)橋梁傾覆規(guī)定了兩個(gè)典型特征狀態(tài)，即某一單向受壓支座脫空和箱梁抗扭支承整體失效，屬于原則性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，并未給出荷載選取辦法和大跨徑變截面寬橋的抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算方法。以下將結(jié)合規(guī)范中橫向抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算方法定量的對(duì)變高變寬連續(xù)箱梁橋進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的橋梁抗傾覆穩(wěn)定性分析方法和判斷準(zhǔn)則[15]。

1 工程概況

鄭州市四環(huán)線及大河路快速化工程位于鄭州市主城區(qū)與外圍區(qū)域的交界處，由大河路、東四環(huán)、南四環(huán)及西四環(huán)組成閉合環(huán)線，路線全長(zhǎng)約93.030 km。西四環(huán)化工路立交主線橋梁左右分幅，標(biāo)準(zhǔn)段單幅橋?qū)捰?6.5 m和20.5 m兩種，其中西四環(huán)跨化工路右幅節(jié)點(diǎn)橋采用(40+66+40) m連續(xù)箱梁(平面布置如圖1所示)，橋面寬度為20.5～27 m，下部結(jié)構(gòu)接匝道側(cè)橋墩采用門(mén)架墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，其余橋墩采用雙柱矩形實(shí)心墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)[6]。

圖1 西四環(huán)跨化工路右幅節(jié)點(diǎn)橋平面布置(單位：m)

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)設(shè)計(jì)荷載：城—A級(jí)[7]；

(2)道路等級(jí)：城市快速路80 km/h；

(3)安全等級(jí)為一級(jí)，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1[7]；

(4)材料自重：預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土自重取26 kN/m[8]；

(5)地震動(dòng)峰值加速度為0.15g[9]，場(chǎng)地特征周期為0.4 s，抗震設(shè)防分類(lèi)為乙類(lèi)；

(6)橋墩不均勻沉降：主墩按15 mm計(jì)算，邊墩按10 mm計(jì)算[10]；

(7)全橋整體升溫26 ℃，整體降溫27 ℃；

(8)全橋梯度溫度：按照規(guī)范要求，取10 mm厚瀝青鋪裝[8]。

3 橋梁結(jié)構(gòu)要點(diǎn)

3.1 上部結(jié)構(gòu)

上部結(jié)構(gòu)采用單箱四室截面，中支點(diǎn)梁高3.6 m，端支點(diǎn)及跨中梁高2.2 m，梁底線形按二次拋物線變化，端部等高段長(zhǎng)10.42 m。箱梁懸臂2.5 m，箱梁跨中區(qū)域頂板厚0.25 m，底板厚0.25 m，腹板厚0.45 m，支點(diǎn)處頂板加厚至0.45 m，底板加厚至0.45 m(66 m跨左右支點(diǎn)處1.0 m)，腹板加厚至0.8 m，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2所示。

圖2 箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：mm)

3.2 下部結(jié)構(gòu)

主跨橋墩采用雙柱式矩形實(shí)心墩，柱間距為5.5 m，截面尺寸為2.0 m(橫橋向)×2.4 m(順橋向)，墩高15.5 m。

4 上部箱梁抗傾覆穩(wěn)定性分析

4.1 抗傾覆穩(wěn)定性分析方法

(1)單向受壓支座受壓分析

規(guī)范規(guī)定，在荷載(作用)基本組合下，整體式連續(xù)箱梁的單向受壓支座均應(yīng)處于受壓狀態(tài)。在計(jì)算中應(yīng)考慮汽車(chē)車(chē)道荷載(含沖擊力)設(shè)計(jì)值、車(chē)輛荷載密布荷載、成橋內(nèi)力(自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力、收縮徐變)、支座沉降、溫度作用等設(shè)計(jì)值基本組合下支反力是否為負(fù)值。

(2)正交橋梁和斜交橋梁傾覆失穩(wěn)情況分析

首先需要確定整體式連續(xù)箱梁的傾覆軸線，傾覆軸線的具體取法：正橋和斜交角不大于30°的斜橋，可以選取整體式連續(xù)箱梁中心線同一側(cè)墩臺(tái)支承連接線作為箱梁的傾覆軸線。按作用標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行組合時(shí)，整體式截面簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁的作用效應(yīng)應(yīng)符合下式要求[11]

(1)

式中kqf——橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)，?。?/p>

∑Sbk，i——使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；

∑Ssk，i——使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的效應(yīng)設(shè)計(jì)值。

4.2 判斷準(zhǔn)則

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，傾覆橋梁的破壞過(guò)程呈現(xiàn)為：?jiǎn)蜗蚴軌褐ё辉倬鶆蚴軌?出現(xiàn)零壓力甚至脫空)，整體式連續(xù)箱梁的邊界支承約束趨于失效，上部箱梁扭轉(zhuǎn)變形開(kāi)始發(fā)散，橫橋向傾覆失穩(wěn)，支座和上、下部的連接件破壞[12]。按照可靠度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，此類(lèi)損壞屬于極限承載力超標(biāo)。

結(jié)構(gòu)傾覆過(guò)程經(jīng)歷了兩個(gè)明顯的特征狀態(tài)：①整體式連續(xù)箱梁的單向受壓支座逐漸不再受壓，甚至出現(xiàn)脫空；②整體式連續(xù)箱梁的所有抗扭邊界條件全部失效。參照國(guó)內(nèi)、國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以這兩個(gè)典型的特征狀態(tài)作為整體式連續(xù)箱梁抗傾覆穩(wěn)定性分析的兩個(gè)驗(yàn)算工況。

特征狀態(tài)①：在荷載基本組合下，整體式連續(xù)箱梁的單向受壓支座不應(yīng)脫空。

特征狀態(tài)②：整體式連續(xù)箱梁每個(gè)橋墩上的一組支座構(gòu)成一個(gè)抗扭邊界條件，對(duì)箱梁的扭矩及扭轉(zhuǎn)變形形成雙重約束；當(dāng)兩個(gè)支座中的一個(gè)脫空后，另一個(gè)支座僅對(duì)扭矩有約束，對(duì)扭轉(zhuǎn)變形的約束將失去效用；隨著整體式連續(xù)箱梁抗扭約束的全部失效，橋梁將處在傾覆失穩(wěn)的極限狀態(tài)[13]。

4.3 計(jì)算分析模型

箱梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，按A類(lèi)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用兩端張拉；橫梁配置橫向預(yù)應(yīng)力鋼絞線，采用單端張拉[14]。預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁的摩擦系數(shù)μ=0.17，預(yù)應(yīng)力鋼筋錨下的張拉控制應(yīng)力值0.72fpk=1 339.2 MPa，管道每米局部偏差對(duì)摩擦的影響系數(shù)k=0.001 5，采用鋼制錐形錨具時(shí)錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮值為每端6 mm。用MIDAS Civil 2017及Civil Designer有限元分析軟件進(jìn)行建模計(jì)算，將整體式連續(xù)箱梁劃分為77個(gè)空間桿系單元，并根據(jù)實(shí)際情況模擬相應(yīng)的邊界條件，對(duì)整體式連續(xù)箱梁進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性分析。箱梁整體分析模型如圖3所示。

圖3 箱梁整體分析模型

4.4 箱梁?jiǎn)蜗蚴軌褐ё軌悍治?/h3>

根據(jù)有限元軟件計(jì)算，箱梁在結(jié)構(gòu)恒載、溫度作用、不均勻沉降以及規(guī)范規(guī)定的汽車(chē)荷載作用下，各支座的反力如表1。

表1 支座反力統(tǒng)計(jì) kN

從表1可以看出：

(1)本聯(lián)箱梁在各種荷載基本組合作用下支座均處于受壓狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。

(2)對(duì)于箱梁的整體傾覆穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)恒載和汽車(chē)荷載是主要影響因素，其他作用(荷載)影響較小。

4.5 箱梁抗傾覆安全系數(shù)分析

結(jié)合以上有限元模型分析，主要考慮結(jié)構(gòu)恒載、汽車(chē)荷載、溫度作用、支座沉降以及支座間距對(duì)箱梁整體抗傾覆穩(wěn)定性的影響。城市高架橋梁經(jīng)常出現(xiàn)堵車(chē)現(xiàn)象，故汽車(chē)荷載不僅應(yīng)考慮車(chē)道荷載，還應(yīng)考慮車(chē)輛荷載密布的情況。

該節(jié)點(diǎn)橋的橋面汽車(chē)荷載及支座布置如圖4所示(設(shè)計(jì)支座間距為5.5 m)。根據(jù)預(yù)應(yīng)力橫梁計(jì)算，04Y036號(hào)墩處荷載主要集中在中間支座，而中間支座基本位于04Y033和04Y035號(hào)墩右側(cè)支座的連線上，依據(jù)4.2節(jié)分析，傾覆軸線近似取04Y033和04Y035號(hào)墩右側(cè)支座的連線。

作為傾覆荷載的車(chē)道及車(chē)輛主要布置在傾覆軸線右側(cè)，汽車(chē)荷載主要加載方式如圖5所示。

圖4 箱梁支座布置(單位：mm)

圖5 汽車(chē)荷載加載方式(單位：mm)

本橋梁為城市高架主線橋，橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)應(yīng)適當(dāng)提高，取kqf=3。

用公式(1)計(jì)算不同支座間距下本橋的橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)，如表2。

表2 不同支座間距下的橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)

注：表中車(chē)道荷載、車(chē)輛荷載均按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 11—2011)選取[7]。

從表2分析可以得出如下結(jié)論：

(1)支座間距不小于4.5 m時(shí)，橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)滿足要求。

(2)抗傾覆穩(wěn)定性分析中傾覆力矩主要由密布車(chē)輛荷載控制，抗傾覆力矩主要由結(jié)構(gòu)恒載提供。

(3)支座間距越小，抗傾覆力矩越小，而傾覆力矩越大，因此橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)越小。

在路線總體平面確定的情況下，上部整體箱梁結(jié)構(gòu)形式相應(yīng)地基本確定，結(jié)構(gòu)恒載、車(chē)輛荷載及其分布不會(huì)再有改變，唯一可以調(diào)節(jié)的就是下部支座間距。由上述分析結(jié)果可以看出：增大支座間距不僅可以減小傾覆力矩，還能大幅增加結(jié)構(gòu)的整體抗傾覆穩(wěn)定性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)該橋在各種荷載(作用)基本組合下，單向受壓支座均處于受壓狀態(tài)，滿足規(guī)范要求。

(2)結(jié)構(gòu)恒載、汽車(chē)荷載以及支座間距是箱梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)的主要影響因素。支座間距越小，抗傾覆力矩越小，而傾覆力矩卻越大，橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)越小。建議主線整體式箱梁橋支座間距不小于4.5 m。

隨著我國(guó)城市交通建設(shè)的飛速發(fā)展，高架橋梁的建設(shè)也會(huì)越來(lái)越多，橋下空間也會(huì)越來(lái)越多的被利用。因此，橋梁的整體抗傾覆穩(wěn)定性必須引起橋梁設(shè)計(jì)師們的充分重視，即不應(yīng)過(guò)度地增大懸挑距離和減小支撐間距。