城市高架雙支座寬橋抗傾覆計(jì)算分析

劉學(xué)清

(中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司福建分公司，泉州 362012)

近年來，隨著國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)，城市用地越來越緊張，為了節(jié)省用地，城市快速路的建設(shè)更多地采用了主路高架橋、輔路地面行車相結(jié)合的斷面。 同時(shí)，交通量的急劇增加，也促使了主路高架橋橋面寬度越來越大，為了盡可能地利用橋下空間，橋墩的支座間距越來越小，橋梁由于汽車超載引起的傾覆倒塌事故也越來越多，尤其是獨(dú)柱墩單支座橋梁傾覆破壞事故發(fā)生數(shù)次，已經(jīng)引起格外注意。 目前，國內(nèi)很多學(xué)者針對(duì)已發(fā)生的橋梁倒塌事故進(jìn)行了大量的研究分析[1-4]，認(rèn)為橋梁的抗傾覆性能可以通過調(diào)整支座布置形式得到提高。因此，如何既能合理利用橋下空間，又能保證橋梁上部主梁的抗傾覆穩(wěn)定性[5]，是工程的設(shè)計(jì)施工及其未來運(yùn)營均須關(guān)注的問題。 基于這一背景，提出了本文的研究。

1 工程概況

本項(xiàng)目范圍北側(cè)起點(diǎn)為泉州市福興路北718 m 處，主線往南經(jīng)過509 m 地面段后以高架橋的型式分別上跨福興路、 規(guī)劃十五號(hào)路與梧林互通主線高架橋相銜接，過梧林互通后主線高架橋上跨環(huán)城高速高架橋、 站北二路、站北一路后下地以地道隧道型式下穿泉州南站站前段的高速連接線、品牌街、復(fù)興路、和諧路、梧垵路、站南一路、圍頭灣支線后往南約156 m 上地，后以地面道路的型式往南延伸，南側(cè)終點(diǎn)為圍頭支線南側(cè)約500 m 處；輔道依次與設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的各條現(xiàn)狀路及規(guī)劃路平交口相銜接。

路線實(shí)際長(zhǎng)度為3.881 km， 道路標(biāo)準(zhǔn)段紅線寬度為55 m。道路等級(jí)：主路—一級(jí)公路兼城市快速路(雙向六車道)，設(shè)計(jì)速度：80 km/h；輔路—城市主干路(雙向六車道)，設(shè)計(jì)速度：40 km/h。

2 高架橋設(shè)計(jì)方案

(1)標(biāo)準(zhǔn)段跨徑比選

主線橋除了上跨主要道路位置、 互通匝道出入口處外的橋梁均為標(biāo)準(zhǔn)段，宜設(shè)置成標(biāo)準(zhǔn)跨徑；結(jié)合橋梁景觀性要求，若采用25 m 跨徑，橋下橋墩林立，通透性非常差，且橋梁的跨越性也較差；因此，不建議采用25 m 跨徑。40 m 跨徑的經(jīng)濟(jì)性較差，同樣不建議采用。 比較30 m、35 m 跨徑，兩者經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相差很小，但結(jié)合景觀性要求，推薦采用35 m 跨徑。

(2)橋梁結(jié)構(gòu)形式的選擇

由于重車較多， 預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制連續(xù)組合箱梁的安全度較低，容易出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)，因此，不推薦采用預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制連續(xù)組合箱梁。同時(shí)，考慮到項(xiàng)目所處位置為城市市區(qū)，對(duì)橋梁的景觀性要求較高，而分幅現(xiàn)澆連續(xù)箱梁占用輔道較多，道路斷面利用率較低，故推薦采用整幅現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案。

擬設(shè)計(jì)橋梁上部結(jié)構(gòu)為等截面現(xiàn)澆連續(xù)箱梁。 箱梁頂板寬27 m，懸臂長(zhǎng)度5 m，梁高2.1 m，單箱六室，頂?shù)装迤叫?，底板寬度?7 m，腹板厚度40～70 cm，底板厚度22～45 cm，頂板厚度25～45 cm。端橫隔梁厚度為2.0 m 和中橫隔梁厚度2.5 m。 橋面板從道路中心線往外雙向放2.5%橫坡。

從橋墩的受力性能、美觀、施工等因素考慮，對(duì)橋墩造型作了如下構(gòu)思：為了匹配主梁的內(nèi)凹大懸臂，橋墩需橫向打開，形成流暢的花瓶造型，推薦橋墩采用雙柱式花瓶墩，支座間距7 m，如圖1～2 所示。

3 計(jì)算模型分析

(1)計(jì)算模型建立

以主線標(biāo)準(zhǔn)段一聯(lián)3×35 m 為例，通過建立全橋空間Midas 模型進(jìn)行計(jì)算分析，總共劃分55 個(gè)梁?jiǎn)卧?，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖3 所示。

(2)受力階段劃分

①澆注箱梁；②張拉該段預(yù)應(yīng)力鋼筋；③施工橋面系；④運(yùn)營階段。

圖1 27 m 寬主線高架橋橫斷面圖

圖2 27 m 寬主線高架橋橫斷面效果圖

圖3 3×35 m 計(jì)算模型

(3)荷載組合

①組合1：恒載+活載；

②組合2：恒載+活載+升溫+溫度梯度+墩臺(tái)不均勻沉降(5 mm)；

③組合3： 恒載+活載+降溫+溫度梯度+墩臺(tái)不均勻沉降(5 mm)。

4 上部結(jié)構(gòu)受力分析

(1)持久狀況抗裂驗(yàn)算

①作用短期效應(yīng)組合下正截面抗裂驗(yàn)算

現(xiàn)澆連續(xù)梁上、下緣最小正應(yīng)力情況見圖4。

圖4 作用短期效應(yīng)組合下連續(xù)箱梁上、下緣最小應(yīng)力包絡(luò)圖

從圖4 可以看出， 作用短期效應(yīng)組合下現(xiàn)澆連續(xù)梁上、下緣均不出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

②作用短期效應(yīng)組合下斜截面抗裂驗(yàn)算

現(xiàn)澆連續(xù)梁最小主拉應(yīng)力情況見圖5。

圖5 作用短期效應(yīng)組合下現(xiàn)澆連續(xù)梁最小主拉應(yīng)力包絡(luò)圖

從圖5 可以看出， 作用短期效應(yīng)組合下現(xiàn)澆連續(xù)梁最小主拉應(yīng)力為-0.73 MPa，小于規(guī)范允許值0.5ftk=-0.5×2.65=-1.33 MPa，滿足規(guī)范要求。

(2)持久狀況應(yīng)力驗(yàn)算

①持久狀況下正截面混凝土最大壓應(yīng)力驗(yàn)算

現(xiàn)澆連續(xù)梁混凝土上、下緣最大壓應(yīng)力情況見圖6。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng)組合下現(xiàn)澆連續(xù)梁上、下緣最大拉應(yīng)力包絡(luò)圖

從圖6 可以看出， 作用標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng)組合下現(xiàn)澆連續(xù)梁上、下緣混凝土最大壓應(yīng)力為14.02 MPa，小于規(guī)范允許值0.5ftk=0.5×32.4=16.2 MPa，滿足規(guī)范要求。

②持久狀況下正截面鋼筋最大拉應(yīng)力驗(yàn)算

持久狀況組合下現(xiàn)澆連續(xù)梁預(yù)應(yīng)力鋼筋最大拉應(yīng)力小于規(guī)范7.1.5 中0.65fpk=0.65×1860=1209 MPa，滿足規(guī)范要求。

③持久狀況下混凝土主壓、主拉應(yīng)力驗(yàn)算

現(xiàn)澆連續(xù)梁混凝土持久狀況下混凝土主壓應(yīng)力情況見圖7。

圖7 持久狀況下混凝土主應(yīng)力圖

從圖7 可以看出，持久狀況組合下現(xiàn)澆連續(xù)梁混凝土主壓應(yīng)力最大值為14.02 MPa， 小于規(guī)范允許值0.6fck=0.6×32.4=19.4 MPa，滿足規(guī)范要求。

(3)承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度驗(yàn)算

現(xiàn)澆連續(xù)梁混凝土基本組合下最大彎矩及其對(duì)應(yīng)的抗力情況見圖8。

圖8 基本組合現(xiàn)澆連續(xù)梁最大彎矩及其對(duì)應(yīng)的抗力圖

現(xiàn)澆連續(xù)梁混凝土基本組合下最小彎矩及其對(duì)應(yīng)的抗力情況見圖9。

圖9 基本組合現(xiàn)澆連續(xù)梁最小彎矩及其對(duì)應(yīng)的抗力圖

從圖9 可以看出， 現(xiàn)澆連續(xù)梁的承載能力在基本組合下正截面彎矩與其對(duì)應(yīng)的抗力，滿足規(guī)范要求。

5 抗傾覆驗(yàn)算分析

按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]第4.1.8 條規(guī)定，持久狀況下，梁橋不應(yīng)發(fā)生結(jié)構(gòu)體系改變，并應(yīng)同時(shí)滿足下列規(guī)定：

(1)在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)。

(2)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)符合公式要求：

式中，kqf為橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)，取kqf=2.5；∑Sbk，i為使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；∑Ssk，i為使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的效應(yīng)設(shè)計(jì)值。

支座平面編號(hào)示意如圖10 所示。

圖10 支座平面編號(hào)示意

由圖10～12 和表1 計(jì)算結(jié)果表明，3×35 m 箱梁最不利荷載工況下，全橋支座最小反力為3718 kN，處于受壓狀態(tài)；橫橋向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)最小為12＞2.5，均滿足新規(guī)范要求。

圖11 恒載作用下最不利組合計(jì)算結(jié)果

圖12 汽車荷載作用下最不利組合計(jì)算結(jié)果

表1 3×35 27m 寬現(xiàn)澆箱梁抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果匯總

6 結(jié)論與探討

綜上分析， 城市高架橋傾覆倒塌主要是由于梁部整體傾覆(翻落、滑落)，梁體和墩臺(tái)本身無結(jié)構(gòu)性破壞，或傾覆過程中由于梁體的傾斜致使獨(dú)柱墩傾斜或倒塌， 進(jìn)而引起梁體完全傾覆，梁體本身強(qiáng)度均無問題。 因此，在進(jìn)行城市高架橋設(shè)計(jì)時(shí)， 尤其涉及到需要充分利用橋下空間作為輔路的橋梁，可以適當(dāng)提高高架橋的高度，橋墩可考慮采用花瓶墩， 在盡量不壓縮輔路的情況下拉開支座間距，從而增加了橋梁梁體的抗傾覆穩(wěn)定性，也證實(shí)了城市高架橋采用這種寬橋斷面是合理的， 為今后類似工程提供參考。