平面為曲線與直線相接時(shí)小半徑匝道橋梁抗傾覆研究

孫 林

(中國(guó)核工業(yè)華興建設(shè)有限公司 南京市 210000)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市之間通過高速路的連接愈發(fā)緊密，在此過程中，大型互通建設(shè)應(yīng)運(yùn)而生，在互通建設(shè)過程中，小半徑匝道橋的地位至關(guān)重要，且多以現(xiàn)澆連續(xù)梁橋?yàn)橹?。在橋梁的施工過程中及運(yùn)營(yíng)使用期間，如果發(fā)生橋梁結(jié)構(gòu)的整體傾覆問題，將造成嚴(yán)重的安全事故以及巨大的經(jīng)濟(jì)損失，產(chǎn)生惡劣的社會(huì)影響。因此，研究橋梁的抗傾覆問題意義重大。

以某實(shí)際工程為背景，當(dāng)橋梁平面線形采用曲線與直線相接時(shí)，對(duì)比分析了不同影響因素下橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性問題，研究結(jié)果可為類似項(xiàng)目提供重要參考。

1 工程簡(jiǎn)介

以某實(shí)際工程為背景，某一聯(lián)匝道現(xiàn)澆梁跨徑采用3×25m，平面線形為圓曲線接直線段，如圖1所示。箱梁結(jié)構(gòu)采用單箱單室的現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，箱梁高度采用1.8m，箱梁寬度9.0m，支座間距為2.3m。箱梁支座的平面布置如圖2所示。

圖1 箱梁平面布置圖(R=60m、100m、150m、200m)(單位：m)

圖2 箱梁支座橫向布置(單位：cm)

2 建立有限元模型

采用有限元軟件MidasCivil及Civil Designer進(jìn)行建模與計(jì)算分析，共建立20個(gè)對(duì)比模型。全橋共建立單元77個(gè)，節(jié)點(diǎn)94個(gè)，支座位置按實(shí)際位置設(shè)置。車道按曲線外側(cè)偏心加載，橋梁汽車荷載按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)施加。全橋結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。模型計(jì)算時(shí)計(jì)入車輛離心力及橫橋向扭矩影響，使抗傾覆計(jì)算結(jié)果更加可靠。支座平面布置及支座編號(hào)如圖4所示。

圖3 全橋有限元模型

圖4 橋梁支座布置及編號(hào)

3 抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)《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》(JTG 3362-2018)，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)符合下式的要求：

∑Sbk,i/∑Ssk,i≥kqf

式中：kqf—橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)，取=2.5；

∑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。

下面就影響抗傾覆穩(wěn)定性的幾種因素，給出模型的計(jì)算結(jié)果。

3.1 固定支座布置情況及曲線半徑的大小對(duì)橋梁抗傾覆的影響

在現(xiàn)澆箱梁的設(shè)計(jì)中，一般在一聯(lián)當(dāng)中只設(shè)置一個(gè)固定支座，由于本聯(lián)橋梁平面線形為曲線段接直線段，線形比較特殊，所以首先研究固定支座布置位置對(duì)橋梁抗傾覆的影響。現(xiàn)假設(shè)固定支座的位置為3#(曲線段)和5#(直線段)，曲線段半徑分別采用60m、100m、150m、200m，通過模型研究橋梁的抗傾覆性能，分析結(jié)果云圖詳見圖5、圖6，本文涉及模型較多，只給出兩個(gè)模型計(jì)算結(jié)果，不一一累述。橋梁支座反力及抗傾覆系數(shù)見表1及表2。

圖5 固定支座在曲線段且曲線半徑為200m時(shí)橋梁支座最小支反力

圖6 固定支座在直線段且曲線半徑為200m時(shí)橋梁支座最小支反力

表1 固定支座在曲線段時(shí)不同曲線半徑下橋梁支座最小支反力與抗傾覆系數(shù)表

表2 固定支座在直線段時(shí)不同曲線半徑下橋梁支座最小支反力與抗傾覆系數(shù)表

由表1及表2對(duì)比可知，當(dāng)曲線半徑在100m以下時(shí)，橋梁的固定支座放在直線段時(shí)，對(duì)橋梁支反力是有利的，但由于曲線半徑較小，橋梁抗傾覆結(jié)果均為不通過，需要通過其他方法解決；橋梁的曲線半徑大于100m時(shí)，固定支座位置對(duì)橋梁支反力和抗傾覆系數(shù)的影響均不明顯。同時(shí)表1和表2均表明，平面曲線段的曲線半徑越大，對(duì)橋梁抗傾覆越有利。

3.2 支座偏移量及曲線半徑對(duì)橋梁抗傾覆的影響

現(xiàn)假定固定支座位置放在直線段，同時(shí)給予支座不同的偏移量，再查看曲線半徑不同時(shí)橋梁的抗傾覆性能，計(jì)算結(jié)果見表3及表4。

表3 偏移量20cm時(shí)不同曲率下橋梁支座最小支反力與抗傾覆系數(shù)表

表4 偏移量40cm時(shí)不同曲率下橋梁支座最小支反力與抗傾覆系數(shù)表

3.3 不同超載工況下橋梁抗傾覆的影響

為研究不同超載情況下，此類橋梁的抗傾覆性能，現(xiàn)假設(shè)平面曲線段的半徑采用150m，橋梁支座的橫向偏移量采用30cm。根據(jù)具體的運(yùn)營(yíng)情況，現(xiàn)假定采用4種不同大小的汽車荷載參與組合[1-2]，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 不同荷載工況下橋梁支座最小支反力與抗傾覆系數(shù)表

工況1：1倍公路-Ⅰ級(jí)車道荷載；工況2：1.5倍公路-Ⅰ級(jí)車道荷載；工況3：2倍公路-Ⅰ級(jí)車道荷載；工況4：3倍公路-Ⅰ級(jí)車道荷載。

由表5可知，車輛超載的情況越嚴(yán)重，橋梁的支反力及抗傾覆系數(shù)減小的越明顯，從而對(duì)橋梁的安全使用造成極其不利的影響。

4 結(jié)論

以某實(shí)際工程中某一匝道橋?yàn)楸尘?，利用Civil Designer有限元軟件建模并進(jìn)行相關(guān)分析，研究了曲線半徑大小、固定支座位置、支座偏移量和車輛超載程度對(duì)橋梁平面線形采用曲線與直線相接時(shí)小半徑匝道橋梁抗傾覆性能的影響。得出的結(jié)論如下：

(1)當(dāng)橋梁線形為曲線與直線相接時(shí)，固定支座位置應(yīng)盡量放置在橋梁的直線段，尤其是當(dāng)曲線半徑較小時(shí)，可使橋梁支反力的分布更安全合理。

(2)在橋梁支座間距離相對(duì)較大的情況下，橋梁曲線段的曲線半徑越大，對(duì)橋梁的抗傾覆性能越有利。因此，在橋梁工程的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于互通匝道橋等平面線形為曲線的橋梁，其曲線半徑應(yīng)盡量加大。

(3)橋梁支座橫向位置相對(duì)于橋梁中心的偏移量對(duì)橋梁的抗傾覆性能影響明顯。實(shí)際工程中，在橋梁支座間距受限的情況下，可以通過調(diào)整支座橫向位置，改變支座偏移量的方法增加橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性。

(4)橋梁抗傾覆性能對(duì)車輛超載程度較為敏感。當(dāng)汽車重量達(dá)到正常車載的2倍時(shí)，本例中橋梁支座已經(jīng)出現(xiàn)負(fù)反力，安全隱患較大。所以，在橋梁的運(yùn)營(yíng)期，對(duì)車輛的限載也極其重要，為確保橋梁安全，應(yīng)嚴(yán)禁超載。