基于抗傾覆穩(wěn)定性的小半徑連續(xù)彎箱梁橋平面方案布設(shè)研究

■劉穎波 荀 絢 官磊磊

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司， 南京 210019； 2.南京瑞迪建設(shè)科技有限公司， 南京 210029)

1 引言

小半徑連續(xù)彎箱梁橋與路線平面線型匹配度高、造型美觀，在高速公路交叉的樞紐工程中應(yīng)用十分廣泛。 但其受力情況比直線梁橋復(fù)雜，尤其是在汽車荷載偏心作用下，橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性較差。

近年來，諸多學(xué)者和工程技術(shù)人員從不同角度研究了小半徑連續(xù)彎箱梁橋的抗傾覆穩(wěn)定性能。 何雄君等[1]從半徑取值、車輛超載程度及支座布置形式等方面研究了小半徑獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁的抗傾覆性能。 殷新鋒等[2]研究了曲率半徑、橋梁跨數(shù)、梁端支座間距等因素對連續(xù)彎箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定性的影響。 張玥等[3]采用仿真計(jì)算研究了連續(xù)彎箱梁橋在多個(gè)因素改變條件下對臨界曲率半徑的影響。 以上研究均采用了JTG D62-2012 征求意見稿[4]中的傾覆軸線理論，主要研究了獨(dú)柱墩彎橋的抗傾覆穩(wěn)定性，尚未從橋梁平面方案布設(shè)角度開展研究。

隨著2018 年底JTG 3362-2018[5]的實(shí)施，橋梁抗傾覆計(jì)算方法調(diào)整為抗扭支承理論。鑒于此，本文以某高速公路樞紐互通匝道橋?yàn)楣こ虒?shí)例， 以抗扭支承理論為依據(jù)，采用Midas Civil 2019 有限元軟件分析了小半徑連續(xù)彎箱梁橋采用雙支座橋墩對抗傾覆穩(wěn)定性的提升效果， 并在此基礎(chǔ)上分別建立了不同跨徑、 不同聯(lián)長的小半徑連續(xù)彎箱梁橋有限元模型，研究了其對抗傾覆穩(wěn)定性的影響。

2 計(jì)算理論

整體式截面箱梁橋的同一橋墩雙支座構(gòu)成一個(gè)抗扭支承，橋梁傾覆失穩(wěn)表現(xiàn)為：其中一個(gè)支座脫離正常受壓狀態(tài)， 即該橋墩的抗扭支承失效，當(dāng)箱梁的抗扭支承全部失效后， 箱梁橋發(fā)生傾覆破壞。

根據(jù)新規(guī)范[5]，持久狀況下梁橋不發(fā)生傾覆破壞需同時(shí)滿足以下規(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)在作用標(biāo)準(zhǔn)值組合下，整體式截面箱梁橋橫橋向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)k 需滿足：

式中：Sbk，i為標(biāo)準(zhǔn)組合下使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；Ssk，i為標(biāo)準(zhǔn)組合下使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的效應(yīng)設(shè)計(jì)值。

3 模型建立

某高速公路樞紐互通匝道橋平面半徑R=60 m，橋梁寬度9 m，單箱單室截面，懸臂長度2 m，橫斷面布置如圖1 所示。 橋面調(diào)平層采用6 cm 厚C50混凝土，鋪裝采用10 cm 厚瀝青混凝土。

采用Midas Civil 進(jìn)行有限元模擬，選取該平面半徑下常用的橋跨布置建立模型，如表1 所示。

圖1 箱梁橫斷面圖(20 m 跨徑)

表1 Midas Civil 有限元模型一覽表

主梁采用梁單元，橋面調(diào)平層、鋪裝和防撞護(hù)欄考慮為二期恒載，荷載集度為55.1 kN/m，彎橋自重和二期恒載產(chǎn)生的附加扭矩效應(yīng)按均布扭矩荷載考慮；汽車荷載偏心布置，采用車道荷載按最不利工況依次布置在曲線外側(cè)橋面，離心力采用車輛荷載按均布荷載考慮，設(shè)計(jì)時(shí)速60 km/h、平面半徑R=60 m 的彎橋離心力荷載集度為11.5 kN/m。

4 抗傾覆穩(wěn)定性分析

4.1 雙支座橋墩對抗傾覆穩(wěn)定性的提升效果

選取一聯(lián)3×20 m 連續(xù)彎箱梁橋作為研究對象， 分別建立了雙支座中間墩和單支座中間墩兩種計(jì)算模型(圖2～3)，得到了最不利工況下的支座反力和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，如表2 所示。基本組合下單支座中間墩模型端支點(diǎn)曲線內(nèi)側(cè)出現(xiàn)了支座脫空，不滿足規(guī)范要求；雙支座中間墩模型能夠大幅改善支座脫空現(xiàn)象，但支座壓力富余值不大；標(biāo)準(zhǔn)值組合下單支座中間墩模型抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)僅0.7＜2.5，不滿足規(guī)范要求，雙支座中間墩模型大大提高了抗傾覆穩(wěn)定性， 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到了6.8＞2.5，滿足規(guī)范要求。

圖2 雙支座中間墩連續(xù)彎箱梁橋有限元模型(20 m 跨徑)

圖3 單支座中間墩連續(xù)彎箱梁橋有限元模型(20 m 跨徑)

表2 3×20 m 連續(xù)彎箱梁橋不同支座中間墩模型最不利工況計(jì)算結(jié)果

4.2 不同跨徑對抗傾覆穩(wěn)定性的影響

根據(jù)以上結(jié)果，分別選取一聯(lián)3×20 m、3×25 m和3×30 m 連續(xù)彎箱梁橋進(jìn)行研究， 建立了雙支座中間墩計(jì)算模型，得到了最不利工況下的支座反力和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)(表3)。 標(biāo)準(zhǔn)值組合下3×20 m 連續(xù)彎箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為6.8，3×25 m 彎箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)7.5，提升了10%，但在基本組合下3×25 m 連續(xù)彎箱梁橋邊墩曲線內(nèi)側(cè)出現(xiàn)了支座脫空，支反力為-46.2 kN，不滿足規(guī)范要求。 標(biāo)準(zhǔn)值組合下3×30 m 連續(xù)彎箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)僅為3.3，基本組合下支反力達(dá)到-375.5 kN，抗傾覆穩(wěn)定性最差。

表3 不同跨徑連續(xù)彎箱梁橋雙支座中間墩模型最不利工況計(jì)算結(jié)果

4.3 不同聯(lián)長對抗傾覆穩(wěn)定性的影響

綜上所述， 選取20 m 跨徑雙支座中間墩連續(xù)彎箱梁橋作為研究對象，分別建立了4 種不同聯(lián)長的計(jì)算模型，得到了最不利工況下的支座反力和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù),如表4 所示?；窘M合下不同聯(lián)長模型均未出現(xiàn)支座脫空，支座壓力富余值隨著聯(lián)長的增加而增大，當(dāng)聯(lián)長達(dá)到5 時(shí)，支座壓力富裕值反而變??；標(biāo)準(zhǔn)值組合下抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均大于2.5，滿足規(guī)范要求， 且隨著聯(lián)長的增加呈增長趨勢，增長率達(dá)到10%～16%。

表4 不同聯(lián)長連續(xù)彎箱梁橋雙支座中間墩模型最不利工況計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

抗傾覆穩(wěn)定性是互通匝道小半徑連續(xù)彎箱梁橋設(shè)計(jì)需重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。 本文通過建立小半徑連續(xù)彎箱梁橋模型進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論。

(1)與單支座橋墩相比，雙支座橋墩能夠大大提高小半徑連續(xù)彎箱梁橋的抗傾覆穩(wěn)定性，在實(shí)際工程中應(yīng)盡量避免采用單支座橋墩方案。

(2)平曲線半徑R=60 m 的連續(xù)彎箱梁橋，3×20 m和3×25 m 跨徑抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)相差不大， 但由于25 m 跨徑車道荷載集中力的提高，最不利工況下端支點(diǎn)曲線內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)了脫空現(xiàn)象，因此在小半徑匝道上盡量采用小跨徑布設(shè)橋梁方案，有利于提高抗傾覆穩(wěn)定性。

(3)相同跨徑下聯(lián)長越長，抗傾覆穩(wěn)定性越好，但考慮小半徑彎橋分聯(lián)過長存在內(nèi)外側(cè)梁長變形不一致、預(yù)應(yīng)力損失大、容易出現(xiàn)橫向爬移等問題，一般工程中取3～4 孔一聯(lián)為宜。