小半徑曲線鋼箱梁橋頂推施工箱梁橫向傾覆穩(wěn)定性研究

車鐵成，鄧 濤，王 巍，龔洪葦，周越良

(1.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310014；2.成都理工大學 環(huán)境與土木工程學院，四川 成都 610059)

近年來，曲線橋梁體傾覆事故不斷發(fā)生。例如，2019年10月10日無錫高架橋側翻事故，2017年1月19日福建在建的龍?zhí)短卮髽蛴揖€梁體發(fā)生傾覆，給現(xiàn)今橋梁工作者敲響了警鐘，橋梁設計不僅要滿足強度要求，箱梁橫向傾覆穩(wěn)定性也同樣重要。對此針對運營中曲線橋的箱梁橫向傾覆穩(wěn)定性，一些專家學者做過不同方面的研究[1-2],研究成果較為成熟。而不同于運營階段，在頂推法施工中，橋梁的邊界條件和荷載條件在各個施工階段均在發(fā)生變化，梁體正負彎矩交替變化，抗傾覆穩(wěn)定性分析更為復雜[3]。對于頂推施工曲線橋箱梁橫向傾覆穩(wěn)定性問題的研究，左家強[4]對半徑R=500 m的預應力混凝土連續(xù)梁進行頂推施工研究，發(fā)現(xiàn)懸臂部分的梁體向內側扭轉，使得內側滑道支反力大于外側滑道支反力。黃成國等[5]采用有限元方法計算步履式頂推施工曲率半徑400 m的四跨連續(xù)鋼箱梁，對頂推施工中箱梁橫向傾覆穩(wěn)定性影響因素進行了敏感性分析。吳大宏等[6]通過對最小半徑R分別為500 m和800 m的變曲率三跨連續(xù)梁的研究，基于懸臂階段存在扭矩，在自重荷載作用下必然會產生彎扭耦合作用的影響，應用橫向抗傾覆穩(wěn)定性計算方法進行了驗算。

前述研究頂推施工小半徑曲線橋半徑均在400 m以上，為了進一步研究小半徑曲線鋼箱梁橋在頂推施工過程中箱梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性，本文以半徑R=110 m的某大橋為背景，主要考慮頂推施工荷載及自重作用，利用抗傾覆穩(wěn)定性計算原理，結合MIDAS/Civil軟件建立頂推施工計算模型，對不同施工階段導梁及箱梁的支座運算，得到內外側支座反力可計算抗傾覆系數k，以此對小半徑曲線鋼箱梁頂推施工箱梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性評價，為此類工程施工提供借鑒意義。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某大橋共2聯(lián)，采用4×20 m鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁+30 m+3×45 m+30 m等截面連續(xù)鋼箱梁，最大跨徑45 m，半徑R=110 m。立面見圖1，平面布置見圖2。連續(xù)鋼箱梁采用頂推施工方法，鋼箱梁截面形式采用單箱雙室，頂面寬9.90 m，底面寬5.22 m，梁高約2 m，底板與頂板平行。梁頂板厚16 mm，底板厚16 mm，頂板縱肋為10 m×160 mm的板肋以及300 mm×270 mm×180 mm的U型肋，底板縱肋為400 mm×240 mm×260 mm的U型肋，中腹板為10 mm×140 mm的雙向板肋，邊腹板為12 mm×180 mm的板肋。具體結構形式見圖3。主梁不考慮縱坡的影響，材料采用Q345qc鋼材,彈性模量為2.1×108kN/m2，泊松比為0.3，重度為78.5 kN/m3。為了減少主梁懸臂段的應力，主梁前端設置30 m的鋼導梁，材料為Q345鋼材。

圖1 曲線鋼箱梁橋立面圖

圖2 曲線鋼箱梁橋平面布置圖(單位：cm)

圖3 鋼箱梁斷面結構形式示意圖(單位：mm)

1.2 施工方案

施工流程圖如圖4所示。

圖4 施工流程圖

2 抗傾覆穩(wěn)定性計算方法

眾多學者對箱梁傾覆穩(wěn)定性計算方法做了研究[7-14]。曲線橋梁的傾覆往往是從支座失效或脫空開始的[15],但現(xiàn)今規(guī)范并未對施工中橋梁的橫向穩(wěn)定性進行規(guī)定。文獻[16]和《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》[17](JTG 3362—2018)共同規(guī)定，按式(1)、式(2)規(guī)定驗算橫橋向抗傾覆性能，曲線橋的受力狀態(tài)如圖5所示。

(1)

(2)

式中:kqf為橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數,取kqf=2.5;ΣSbk,i為使上部結構穩(wěn)定的作用基本組合(分項系數均為1.0)的效應設計值;ΣSsk,i為使上部結構失穩(wěn)的作用基本組合(分項系數均為1.0)的效應設計值。e為荷載的偏心距，F(xiàn)內、F外分別為內、外側支座的支反力，e內、e外分別為內、外側支座距離梁體中心線的距離。

圖5 截面受力示意圖

3 頂推施工鋼箱梁傾覆穩(wěn)定性分析

3.1 有限元模型建立

鑒于彎橋的受力特點，該橋采用空間分析程序MIDAS/Civil進行模擬，計算各施工階段支座的受力狀態(tài)。導梁及主梁有限元模型均采用梁單元。圖6所示階段的有限元模型共計306個節(jié)點及60個單元。

圖6 橋梁模型

計算施工過程時，采用與頂推節(jié)段相應的模式，頂推過程模擬時按主梁單元劃分2.5 m向前頂推一次為一個施工工況。本次研究為了分析不同懸臂狀態(tài)以及不同成橋跨數對箱梁的橫向傾覆穩(wěn)定性的變化特點，所以主要考慮頂推施工荷載與橋梁自重作用。由于本橋施工階段較多，選取如圖7及圖8所示的特殊位置作為主要的施工階段進行討論箱梁的受力特點及穩(wěn)定性變化。

圖7 不同懸臂長度施工階段

圖8 不同成橋跨數施工階段

3.2 懸臂長度對穩(wěn)定性的影響

不同懸臂狀態(tài)8#墩支座處計算結果如表1及圖9所示。

由表1、圖9可知：懸臂段長度對結構傾覆穩(wěn)定性有較大的影響，懸臂段越長，穩(wěn)定系數越小，結構抗傾覆穩(wěn)定性越差；懸臂段重心位于該段支座處切線的內側，在重力的作用下會讓結構產生向內側的扭轉作用，使內側支座反力增大，外側減小，懸臂長度越大，產生的影響越大。當懸臂一半跨徑時，抗傾覆系數尚可滿足要求，但當懸臂段為全跨徑時，外側支座脫空，梁體向內側傾覆，而懸臂2/3跨徑時，穩(wěn)定系數也小于2.5，因此當跨徑較大時，可以增加臨時墩，減小懸臂長度，以增強箱梁抗傾覆穩(wěn)定性能。

表1 不同懸臂狀態(tài)8#墩支座處計算結果表頂推位置

圖9 8#墩、9#墩荷載偏心距與抗傾覆穩(wěn)定系數隨懸臂長度變化曲線

3.3 懸臂長度對已成橋梁段穩(wěn)定性的影響

不同懸臂狀態(tài)9#墩支座處計算結果如表2及圖9所示。

表2 不同懸臂狀態(tài)9#墩支座處計算結果表

由表2及圖9可知：隨著懸臂段長度的增加，遠端支座處荷載偏心由外側向內側偏移；在偏向內側之后，懸臂段越長，箱梁抗傾覆穩(wěn)定性能越低。

3.4 成橋跨數對穩(wěn)定性的影響

鋼箱梁不同成橋跨數9#—6#墩支座處計算結果如表3—表6及圖10所示。

表3 不同成橋跨數9#墩支座處計算結果表

表4 不同成橋跨數8#墩支座處計算結果表

表5 不同成橋跨數7#墩支座處計算結果表

表6 不同成橋跨數6#墩支座處計算結果表

圖10 9#墩、8#墩、7#墩、6#墩荷載偏心距與抗傾覆穩(wěn)定系數隨著箱梁成橋跨數變化曲線

由表3—表6及圖10可知：隨著成橋跨數的增加，遠端支座處荷載偏心距隨之減小，梁體抗傾覆穩(wěn)定系數增大，說明總體上隨著成橋跨數的增加，箱梁有更好的橫向傾覆穩(wěn)定性。

4 結 論

(1) 該大橋頂推施工時懸臂段會讓箱梁產生向內側的扭轉作用，使內側支座反力增大，外側減小，懸臂段越長，穩(wěn)定系數越小，結構抗傾覆穩(wěn)定性越差。

(2) 該大橋頂推施工隨著成橋跨數的增加，遠端支座處荷載偏心距減小，梁體抗傾覆穩(wěn)定系數增大。

(3) 本次研究僅初步考慮了橋梁的自重及施工荷載作用下鋼箱梁在部分不同施工階段的抗傾覆穩(wěn)定性的變化。影響梁體橫向傾覆穩(wěn)定的因素還有很多，例如曲率半徑、風荷載、軸線偏移等。