連續(xù)鋼箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定性分析

張宏， 張偉

(長安大學(xué) 理學(xué)院,陜西 西安 710064)

鋼箱梁橋因其具有抗扭剛度大、受力性能好、結(jié)構(gòu)自重輕、加工方便、施工工期短等優(yōu)點，在城市高架橋中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但結(jié)構(gòu)自重輕作為鋼箱梁優(yōu)點的同時也成為其缺點。因為當鋼箱梁的結(jié)構(gòu)自重較輕時，若有較大的車輛荷載通過鋼箱梁外側(cè)車道，鋼箱梁上部結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的抗傾覆力矩不足以抵抗結(jié)構(gòu)自重力矩和車輛荷載產(chǎn)生的傾覆力矩，導(dǎo)致鋼箱梁橫向穩(wěn)定性不足，容易發(fā)生傾覆破壞。

已有較多學(xué)者對提高連續(xù)鋼箱梁橋橫向抗傾覆穩(wěn)定性進行了研究：崔亞新等[2]提出在連續(xù)鋼箱梁橋支座部位設(shè)置抗傾覆拉桿，避免支座脫空，從而避免橋梁發(fā)生傾覆破壞；蘇亞慶等[3]提出在墩頂和鋼箱梁之間應(yīng)用鋼構(gòu)件進行橫向限位設(shè)計，或利用支座和擋塊適當限制梁的側(cè)向位移，以此提高鋼箱梁橋的橫向穩(wěn)定性；許冰等[4]提出在連續(xù)鋼箱梁橋中采用雙柱式橋墩形式，并盡可能增大橫向支座間距，以此提高鋼箱梁橋的橫向穩(wěn)定性。上述學(xué)者所提出的改善橋梁結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性的方法主要針對處于設(shè)計和施工階段的橋梁結(jié)構(gòu)，具有一定的局限性。

為了從根源上提高鋼箱梁橋結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性能，本文依托實際工程并結(jié)合《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50003—2011)[5]對抗傾覆系數(shù)計算公式進行了修正，提出了在連續(xù)鋼箱梁橋箱室內(nèi)澆筑混凝土來提高其抗傾覆性能的措施，并分析驗證該措施的合理性。

1 連續(xù)鋼箱梁橋傾覆破壞機理與評判準則

1.1 連續(xù)鋼箱梁橋傾覆破壞機理

根據(jù)連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)的傾覆發(fā)展過程來看，其破壞機理主要分為以下幾種：

上部結(jié)構(gòu)偏載引起的橋梁結(jié)構(gòu)的傾覆力矩小于橋梁的抗傾覆力矩，支座因受到較大水平力的作用使其水平位移超限而失效，導(dǎo)致支座的上部結(jié)構(gòu)落梁；支座未因受到較大水平力的作用而導(dǎo)致水平位移超限失效，但墩頂截面發(fā)生壓彎破壞，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)落梁；上部偏載引起的橋梁結(jié)構(gòu)的傾覆力矩大于抗傾覆力矩，遠離荷載作用位置的支座全部脫空，結(jié)構(gòu)發(fā)生整體傾覆。

連續(xù)鋼箱梁橋的橫向穩(wěn)定為主梁、支座、墩柱結(jié)構(gòu)共同作用下的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，其中任何一個部分發(fā)生破壞，都將造成極其嚴重的后果。因此，判斷結(jié)構(gòu)的橫向整體穩(wěn)定性不僅要分析主梁的抗傾覆力矩與傾覆力矩的大小關(guān)系，還應(yīng)考慮支座的水平位移以及墩柱的承載能力。

1.2 連續(xù)鋼箱梁橋傾覆破壞的評判準則

依據(jù)連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)傾覆破壞發(fā)展過程中的3種主要傾覆破壞機理，確立其傾覆破壞的評判準則如下：

1)遠離偏載作用位置的支座是否脫空，即是否出現(xiàn)支座負反力。

2)遠離偏載作用位置的支座脫空后，主梁結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩是否大于偏載的傾覆力矩，抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)是否符合要求。

3)靠近偏載作用一側(cè)的支座水平位移是否超限，墩柱在水平力和豎向力的作用下是否出現(xiàn)壓彎破壞。

2 連續(xù)鋼箱梁橋抗傾覆分析

2.1 依托工程背景

西安市鳳城五路與北辰大道互通立交工程，是西安市北部片區(qū)“三橫三縱”快速路網(wǎng)的重要組成部分，是服務(wù)2021年全運會的重要交通通道。鳳城五路立交北辰主線鋼箱梁共計8聯(lián)，長1 035 m，選取第3聯(lián)鋼箱梁進行模擬計算。北辰主線第3聯(lián)連續(xù)鋼箱梁為單箱4室鋼箱梁結(jié)構(gòu)，箱梁頂寬25.2 m，箱梁底寬17.5 m，中心梁高1.8 m，支座間距5.6 m，跨徑為35 m+35 m+35 m。鋼箱梁截面左右對稱，其左側(cè)橫截面如圖1所示。

圖1 鋼箱梁左側(cè)橫截面示意圖(單位:mm)

2.2 有限元模型及加載工況

根據(jù)連續(xù)鋼箱梁傾覆破壞的幾何原理，其抗傾覆能力主要取決于主梁寬與支座間距的比值[6]。為便于分析連續(xù)鋼箱梁橫向抗傾覆能力，作以下簡化：將上部結(jié)構(gòu)等效為平面板；荷載均勻分布；上部鋼箱梁在偏載作用下不會發(fā)生強度破壞和局部破壞。 簡化后的有限元模型如圖2所示。

圖2 連續(xù)鋼箱梁橋有限元模型

分析橋梁傾覆事故頻頻發(fā)生的原因發(fā)現(xiàn)，車輛超載且偏載導(dǎo)致的情況尤為突出。結(jié)合《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》(CJJ 11—2011)[7]，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的受力特點，分為以下5種工況：

工況一：城市-A級車道荷載；

工況二：1.3倍城市-A級車道荷載；

工況三：《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》(CJJ 11—2011)中70 t車輛荷載，車隊縱向兩車前后軸距為10 m，沿右側(cè)第3車道行駛，車輛軸距為3.6 m—1.2 m—6.0 m—7.2 m，軸重60 kN+140 kN+140 kN+200 kN+160 kN；

工況四：1.3倍工況3荷載；

工況五：120 t嚴重超載車輛，車隊縱向兩車前后軸距為10 m，沿右側(cè)第3車道行駛，車輛軸距為3.6 m—1.2 m—6.0 m—7.2 m，軸重80 kN+250 kN+250 kN+340 kN+280 kN；

工況三或工況五中70 t或120 t車輛沿右側(cè)第3車道行駛時，縱橋向布置如圖3所示。

圖3 車輛縱橋向荷載布置圖(單位:m)

2.3 抗傾覆分析結(jié)果

圖4為5種工況作用下，根據(jù)ANSYS軟件模擬計算所得的連續(xù)鋼箱梁橋支座反力結(jié)果。

圖4 各工況荷載作用下支座反力結(jié)果

由圖4可知：在5種荷載工況下，連續(xù)鋼箱梁各支座均未出現(xiàn)負反力，所以，結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象；支座反力最小值為236 kN，出現(xiàn)在工況二荷載作用下的0-1#、3-1#支座處，這種情形雖不至于引起主梁的傾覆，但此時結(jié)構(gòu)抵抗傾覆破壞的安全儲備不大。

根據(jù)《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JTG D64—2015)[8]中關(guān)于橋梁抗傾覆驗算的相關(guān)規(guī)定，直線段連續(xù)鋼箱梁橋傾覆時以偏載側(cè)支座中心連線為傾覆軸線，抗傾覆力矩為主梁傾覆軸線內(nèi)側(cè)自重產(chǎn)生的力矩，傾覆力矩為汽車荷載與主梁傾覆軸線外側(cè)自重產(chǎn)生的力矩之和。各工況荷載作用下的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)見表1。

由表1可得,分別在工況一、三、四的荷載作用下，梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)大于1.3，滿足《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JTG D64—2015)中的要求；分別在工況二、五的荷載作用下，該連續(xù)鋼箱梁橋的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)小于1.3，不滿足上述規(guī)范要求。

表1 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果

根據(jù)橋梁傾覆破壞的評判準則，進一步驗算支座的水平位移和墩柱的強度。不同荷載工況下支座的水平位移和墩柱的最大應(yīng)力結(jié)果見表2。

表2 不同工況荷載作用下支座水平位移和墩柱最大壓應(yīng)力結(jié)果

由表2可知，在5種不同偏載工況作用下，邊支座的最大水平位移為2.48 mm，中間支座的最大水平位移為2.64 mm，都分別遠遠小于各自設(shè)計值125和100 mm；墩柱的最大壓應(yīng)力為10.69 MPa，遠小于其設(shè)計值40 MPa。支座及墩柱發(fā)生破壞的可能性極小。

綜合上述結(jié)果可知，該橋不容易發(fā)生因為支座水平位移和墩柱承載力超限引起的落梁或坍塌破壞，但容易發(fā)生由于偏載過大引起的上部結(jié)構(gòu)的整體傾覆破壞。因此，應(yīng)對工況二和工況五的荷載作用時的情形引起足夠的重視，需采取相應(yīng)措施提高連續(xù)鋼箱梁橋的橫向抗傾覆能力。

3 抗傾覆措施及其實施結(jié)果分析

3.1 抗傾覆措施

眾所周知，大多數(shù)橋梁在發(fā)生傾覆破壞前毫無預(yù)兆，連續(xù)鋼箱梁橋一旦發(fā)生傾覆破壞將造成局部的交通癱瘓和巨大的經(jīng)濟損失。在《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JTG D64—2015)中規(guī)定對結(jié)構(gòu)抗傾覆不利的恒載和活載的重要性系數(shù)分別為1.0和1+μ(μ為沖擊系數(shù))，而在《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50003—2011)4.1.6條中規(guī)定對結(jié)構(gòu)抗傾覆不利的恒載和活載的重要性系數(shù)分別為1.2和1.4。為了使結(jié)構(gòu)具有更大的橫向抗傾覆穩(wěn)定性安全儲備，結(jié)合《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 5003—2011)對結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的計算公式進行修正：提高對結(jié)構(gòu)抗傾覆不利的恒載和活載的重要性系數(shù)，考慮到橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)范圍為0≤μ≤0.45。因此，在修正公式中：當0≤μ≤0.40時，活載的重要性系數(shù)取為1.4；當0.40≤μ≤0.45時，活載的重要性系數(shù)取為1+μ；不論沖擊系數(shù)為何值恒載的重要性系數(shù)均取為1.2。修正后的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計算公式如式(1)所示：

(1)

式中：γqf為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；G1為對結(jié)構(gòu)抗傾覆有利的結(jié)構(gòu)自重；G2為對結(jié)構(gòu)抗傾覆不利的結(jié)構(gòu)自重；x1為對結(jié)構(gòu)抗傾覆有利的結(jié)構(gòu)自重質(zhì)心到傾覆軸線的距離；x2為對結(jié)構(gòu)抗傾覆不利的結(jié)構(gòu)自重質(zhì)心到傾覆軸線的距離；qk為車道荷載均布荷載；Pk為車道荷載集中荷載；L為箱梁計算跨徑；ej為傾覆側(cè)各橫向加載車道到傾覆軸線的距離；γG為對結(jié)構(gòu)抗傾覆不利的上部結(jié)構(gòu)恒載的重要性系數(shù)，取1.2；γQ為對結(jié)構(gòu)抗傾覆不利的汽車荷載效應(yīng)的重要性系數(shù)，其取值規(guī)定如下：

選用修正后的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計算公式，再次計算5種工況荷載作用下結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，結(jié)果見表3。由表3可知：除了工況三以外,各工況荷載作用下由公式(1)計算所得γqf結(jié)果均小于1.3。此時，雖然抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果不同，但連續(xù)鋼箱梁的抗傾覆能力是相同的。若此時采取措施使得抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)仍然大于1.3，其鋼箱梁的抗傾覆性能將得到顯著提高。

表3 由修正公式(1)所得的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果

由式(1)可知，工況相同時若要增大結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，需增大其抗傾覆力矩。結(jié)合支座反力計算結(jié)果(圖4)可得，在不同工況荷載作用下，邊支座豎向反力遠小于中間支座的豎向反力。因此，在鋼箱梁兩端箱室內(nèi)澆筑混凝土在增大抗傾覆力矩的同時也能使得各支座受力均勻，避免墩柱產(chǎn)生不均勻沉降。

根據(jù)連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)特點，在聯(lián)端箱室內(nèi)澆筑配重混凝土?xí)r有2種布置方式。其一是僅在中間兩箱室內(nèi)澆筑混凝土，混凝土高度較高，易導(dǎo)致箱梁重心升高；其二是在4個箱室內(nèi)澆筑混凝土，但部分混凝土在自重作用下會產(chǎn)生較大的傾覆力矩。2種混凝土配重方式如圖5所示。

圖5 配重布置示意圖(單位:mm)

為了研究2種配重布置方式對連續(xù)鋼箱梁橋抗傾覆性能的影響，分析2種配重布置方式在相同工況下(工況一)的結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)與混凝土體積之間的關(guān)系?？箖A覆穩(wěn)定系數(shù)隨混凝土體積變化的規(guī)律如圖6所示。

圖6 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨混凝土體積變化的規(guī)律

由圖6可知，在相同工況下澆筑相同體積的混凝土，配重方式一比方式二對結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的提高更明顯，且隨著混凝土體積的增加，配重方式一與配重方式二的抗傾覆效果差別越來越大，配重方式一優(yōu)于方式二。結(jié)合文中的工程背景，當在鋼箱梁兩端澆筑150 m3混凝土?xí)r，2種配重方式的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)值接近，但配重方式二澆筑的混凝土高度小、施工更便捷。因此，采用配重方式二來提高鋼箱梁橋橫向抗傾覆穩(wěn)定性。

3.2 抗傾覆措施結(jié)果分析

為了研究在連續(xù)鋼箱梁兩端箱室內(nèi)澆筑混凝土對提高結(jié)構(gòu)抗傾覆能力的影響，對比配重前后使用修正公式計算得到的連續(xù)鋼箱梁不同工況荷載作用下的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。同時，對比配重前后連續(xù)鋼箱梁橋不同工況荷載作用下縱橋向各跨最大彎矩和中間支座負彎矩的大小，研究混凝土配重對橋梁上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。配重前后不同工況下縱橋向各跨最大正彎矩、中間支座負彎矩及結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)見表4。

由表4可知:在連續(xù)鋼箱梁兩端澆筑混凝土后，其邊跨跨中最大正彎矩及中間支座最大負彎矩增加，中跨跨中最大正彎矩減??；相較于未增加配重時，在箱室內(nèi)澆筑混凝土增加配重后，成橋狀態(tài)下，邊跨最大正彎矩增幅約為8.3%，中支座處最大負彎矩增幅約為3.3%，中跨最大正彎矩增幅約為-21.1%；且相較于未增加配重時，連續(xù)鋼箱梁橋在不同工況荷載作用下的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均有顯著提高，具有更好的橫向抗傾覆性能。

表4 不同工況下縱橋向各跨最大正彎矩、中間支座負彎矩及結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果

4 結(jié)論

結(jié)合工程實際，對連續(xù)鋼箱梁橋在重車偏載作用下的抗傾覆性能進行了有限元分析。分析了連續(xù)鋼箱梁橋在重車偏載作用下上部結(jié)構(gòu)、支座、墩柱的穩(wěn)定性。對《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》(JTG D64—2015)中抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的計算公式進行了修正，提出在鋼箱梁內(nèi)部澆筑配重混凝土的方法來提高鋼箱梁橋橫向抗傾覆的穩(wěn)定性能，在對鋼箱梁結(jié)構(gòu)配重前后不同工況下的計算結(jié)果進行分析后，得出了以下結(jié)論：

1)依托工程背景下的連續(xù)鋼箱梁橋在重車偏載作用下，支座及墩柱不會在水平力及豎向力的作用下發(fā)生破壞，導(dǎo)致上部鋼箱梁落梁。但應(yīng)注意因偏載過大可能引起鋼箱梁橋的整體翻轉(zhuǎn)傾覆。

2)對《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》(JTG D64—2015)中抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的計算公式進行修正后，雖然鋼箱梁橋的抗傾覆能力不變，但使用修正公式得到的結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果更小。說明采用修正公式的計算結(jié)果使鋼箱梁橋具有更大的安全儲備，結(jié)構(gòu)設(shè)計偏于安全。

3)在連續(xù)鋼箱梁兩端箱室內(nèi)澆筑一定量的混凝土，在顯著提高鋼箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的同時對連續(xù)鋼箱梁橋的內(nèi)力影響不大，表明在箱室內(nèi)澆筑混凝土提高鋼箱梁橋結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆穩(wěn)定性的方法是可行的。