大跨徑鋼箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定性分析

凌冬

作者簡(jiǎn)介：凌?冬（1969—），高級(jí)工程師，主要從事公路橋梁設(shè)計(jì)工作。

文章基于某高速公路互通匝道鋼箱梁橋工程實(shí)例，根據(jù)大跨徑梁橋的受力特性，結(jié)合現(xiàn)行橋梁規(guī)范要求，利用有限元橋梁分析理論，通過(guò)對(duì)橋梁最不利位置進(jìn)行模擬分析，選擇合適的特征點(diǎn)，針對(duì)支座脫空以及結(jié)構(gòu)傾覆進(jìn)行驗(yàn)算，對(duì)大跨徑鋼箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，并提出了保障橋梁安全的相應(yīng)措施。

大跨徑；鋼箱梁橋；抗傾覆；穩(wěn)定性

U448.21+3A541903

0?引言

目前，我國(guó)道路運(yùn)輸車輛超限超載的現(xiàn)象十分普遍，因此導(dǎo)致橋梁傾覆事故時(shí)有發(fā)生，對(duì)行車安全構(gòu)成了極大的威脅［1］。鋼箱梁因其自重小、強(qiáng)度高、施工快捷等優(yōu)點(diǎn)，已成為熱門橋型之一［2］，但其抗傾覆穩(wěn)定性較差的問題仍然困擾著工程界［3］。根據(jù)以往的交通安全事故進(jìn)行分析，除施工質(zhì)量問題導(dǎo)致橋頭路基承載力不足進(jìn)而引發(fā)鋼箱梁傾覆外，其抗扭支承失穩(wěn)與結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性不足同樣是橋梁傾覆破壞的主要原因［4-5］。為了保證大跨徑梁橋的安全性，應(yīng)重視其抗傾覆設(shè)計(jì)。

近年來(lái)，眾多專家學(xué)者對(duì)大跨徑鋼箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定性問題進(jìn)行了大量的研究。肖鵬程［6］通過(guò)對(duì)橋梁橫向抗傾覆性能的研究，綜合考慮了不同橫向荷載作用位置、支座間距以及橋墩布置形式等設(shè)計(jì)參數(shù)，分析了支座反力以及橫向抗傾覆性能，并給出了相應(yīng)的抗傾覆加固方案。孫軍等［7］為了研究鋼箱梁橋在彎道結(jié)構(gòu)中的抗傾覆穩(wěn)定性，采用單箱梁和帶臨時(shí)加固設(shè)備的雙箱梁進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)其支承反作用力進(jìn)行了計(jì)算。吳玉華等［8］采用有限元方法對(duì)大跨度連續(xù)箱梁進(jìn)行了應(yīng)力分析，在此基礎(chǔ)上，提出了橋梁側(cè)向穩(wěn)固措施。王泉宇等［9］利用曲梁理論公式對(duì)簡(jiǎn)支超靜定曲梁的支承反力進(jìn)行了分析，并以支座間距為依據(jù)分析了內(nèi)、外支座的反作用力，最后以支座是否達(dá)到規(guī)范中所要求的穩(wěn)定系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估橋梁的穩(wěn)定性與抗傾覆性。耿君君［10］采用了有限元的方法，對(duì)連續(xù)梁橋進(jìn)行了抗傾覆穩(wěn)定性分析，并對(duì)其受力和傾覆之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，同時(shí)探討了偏心度對(duì)梁橋抗傾覆穩(wěn)定性的影響。

本文以廣西那平高速公路一聯(lián)大跨徑連續(xù)鋼梁橋?yàn)楣こ瘫尘埃凑珍摿撼善略瓌t（頂板隨路面橫坡設(shè)置，底板水平布置，坡度變化通過(guò)腹板高度變化實(shí)現(xiàn)）分析了大跨徑梁橋傾覆破壞機(jī)理與其抗傾覆穩(wěn)定性的影響因素，并提出了這類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。

1?傾覆破壞機(jī)理

橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受其結(jié)構(gòu)組成、支承形式和外部荷載等因素的影響，由于設(shè)計(jì)不合理、維護(hù)不到位、嚴(yán)重超載等原因會(huì)造成橋梁出現(xiàn)不同程度的傾覆破壞［11］。由于橋梁上部結(jié)構(gòu)受到極端偏心活荷載作用，結(jié)構(gòu)自身的恒載效應(yīng)不足以抵抗偏載產(chǎn)生的傾覆效應(yīng)，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)繞某側(cè)支點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，最終引發(fā)上部結(jié)構(gòu)傾覆破壞［12］。針對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的傾覆破壞，其破壞機(jī)理按其抗傾覆力矩大小可分為以下兩種情況：

（1）當(dāng)抗傾覆力矩大于活荷載（偏載荷）時(shí)，支架不會(huì)發(fā)生脫空，但是當(dāng)荷載增大，梁體會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，水平反作用力會(huì)增大，導(dǎo)致橋墩與梁間產(chǎn)生橫向位移。在主梁扭轉(zhuǎn)的角度大于臨界點(diǎn)時(shí)，將使主梁與支座分離。在墩頂水平力較大的情況下，若墩柱的橫向剛度及承載力不夠，很可能會(huì)使橋墩發(fā)生變形，造成上部結(jié)構(gòu)的落梁。

（2）當(dāng)抗傾覆力矩小于活荷載（偏載荷）時(shí)，支架會(huì)產(chǎn)生脫空，使橋梁結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定，從而使梁體在旋轉(zhuǎn)和垂直彈性彎曲的聯(lián)合作用下發(fā)生傾覆［13］。

連續(xù)鋼箱梁橋的橫向抗傾覆穩(wěn)定性應(yīng)視為整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題，不能將支座脫空作為衡量橫向穩(wěn)定性的判據(jù)。在進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算時(shí)，必須將主梁傾覆力矩與支座脫空前的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，和傾覆力矩與橋梁抗傾覆能力進(jìn)行對(duì)比，以確保主梁在不對(duì)稱變形和轉(zhuǎn)動(dòng)下產(chǎn)生的扭力（即最不利荷載）符合要求。既要保證主梁在不對(duì)稱變形和轉(zhuǎn)動(dòng)情況下不發(fā)生傾覆，還要確保墩柱、連續(xù)鋼箱梁橋與主塔間的相對(duì)位移滿足規(guī)范要求。因此，本文結(jié)合某大橋的工程概況及實(shí)際工程案例，對(duì)連續(xù)鋼箱梁橋橫向抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

2?工程背景

廣西那平高速公路那坡樞紐互通某匝道橋跨越既有高速公路，由于既有高速公路需為“四改八”預(yù)留空間，且不允許在中央分隔帶上立墩，匝道主橋采用（45+60+45）m連續(xù)鋼箱梁的結(jié)構(gòu)形式，匝道橋平曲線半徑為130 m，橋面寬10.5 m，設(shè)置6%超高橫坡，橋梁橫斷面布置為1.7 m（懸臂）+1.8 m（箱寬）+3.5 m（箱間）+1.8 m（箱寬）+1.7 m（懸臂）=10.5 m，下構(gòu)為雙柱式墩，柱間距5.6 m。如圖1所示。

主梁采用分離式的兩箱單室鋼箱梁，單個(gè)箱寬1.8 m，懸臂長(zhǎng)度為1.7 m。兩個(gè)箱室中心間距為5.3 m，鋼主梁中心線為平行于道路中心線的曲線。主梁梁高2.6 m。鋼梁設(shè)置實(shí)腹式橫隔板，橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距為4.5 m；隔板間設(shè)置框架式加勁板，標(biāo)準(zhǔn)間距為1.5 m。主梁之間橫梁均采用實(shí)腹橫梁，腹板厚16 mm，如圖2所示。鋼梁頂板板厚16 mm，腹板板厚16 mm，底板寬度為1.9 m，兩側(cè)各懸出50 mm，底板板厚16 mm/22 mm，鋼梁底板在中支點(diǎn)位置加厚處理，外側(cè)支座向外側(cè)偏移30 cm。如圖3所示。

3?有限元建模

進(jìn)行鋼主梁整體強(qiáng)度、剛度、疲勞驗(yàn)算分析時(shí)，采用有限元橋梁設(shè)計(jì)軟件橋梁博士4.4進(jìn)行模型建立。計(jì)算模型采用單梁模型計(jì)算，主要計(jì)算參數(shù)為：

空間分析計(jì)算模型如圖4所示，橋梁抗傾斜分析工況如表1所示。

4?抗傾覆分析

從傾覆機(jī)理來(lái)看，上部結(jié)構(gòu)的傾覆不僅是由于單純的失穩(wěn)，而是由于支座脫空后垂直反作用力重新分布造成的強(qiáng)度破壞。因此在設(shè)計(jì)中除了滿足規(guī)范中要求的抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)外，還需要滿足在最不利荷載作用下支座不出現(xiàn)脫空。在《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》（JTG3362-2018）［14］中明確了兩個(gè)抗傾覆驗(yàn)算工況：（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)，橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)kqf≥2.5。驗(yàn)算過(guò)程中應(yīng)注意上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定效應(yīng)中的永久作用在基本組合下的分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)取1.0，并考慮橫橋向風(fēng)荷載所引起的箱梁扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，使鋼箱梁一側(cè)支座反力變小甚至發(fā)生脫空現(xiàn)象。

4.1?支座抗傾覆特性分析

一般情況下，由于橋墩的受力不均，即上部出現(xiàn)偏載，且隨偏載增加，其扭力也隨之增加，超過(guò)一定值后，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)孔洞。通常，支座不僅會(huì)受到車輛荷載、溫度效應(yīng)、預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的影響，也會(huì)受到非均勻沉降等因素的影響。因此，梁橋的設(shè)計(jì)要充分考慮各種不利條件，以保證支架在任何條件下都不會(huì)脫落［15］。

根據(jù)規(guī)范要求，通過(guò)有限元模擬軟件計(jì)算基本組合下的最小支反力，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

該方法將單梁有限元模型劃分為幾個(gè)小單元，并用“直代曲”方法求解，總長(zhǎng)度略小于曲線弧長(zhǎng)，總體外力（縱向和扭矩）略有變化，但基本不會(huì)受到影響。根據(jù)有限元模型，各節(jié)點(diǎn)的最小基礎(chǔ)支反力遠(yuǎn)大于支反力所容許的應(yīng)力值，并且在基本的組合下，該支座仍然能夠承受較大的壓力，不會(huì)產(chǎn)生孔隙，滿足設(shè)計(jì)要求。該橋有限元模型的劃分中，由于結(jié)構(gòu)密度較大，兩者的計(jì)算誤差都在一定的范圍內(nèi)，因此對(duì)梁橋進(jìn)行有限元分析時(shí)，應(yīng)使其具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

4.2?橋梁梁體抗傾覆特性分析

根據(jù)規(guī)范要求，通過(guò)有限元模擬軟件計(jì)算支座豎向力及進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由表3有限元計(jì)算結(jié)果可知，連續(xù)梁在不同位置布設(shè)偏心作用的設(shè)計(jì)荷載時(shí)，失穩(wěn)效應(yīng)下在0-1、0-2、1-2、2-2、3-1以及3-2附近出現(xiàn)負(fù)反力狀況，穩(wěn)定效應(yīng)下則不存在負(fù)反力情況，最不利位置與現(xiàn)實(shí)分析基本相同。從穩(wěn)定系數(shù)分析結(jié)果可以看到，當(dāng)失穩(wěn)效應(yīng)＞0時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)為100，其他情況下，穩(wěn)定性系數(shù)均＞2.5，滿足規(guī)范中對(duì)抗傾覆穩(wěn)定性的要求。

以上計(jì)算結(jié)果表明，該橋梁設(shè)計(jì)中各項(xiàng)抗傾覆穩(wěn)定性指標(biāo)均符合規(guī)范規(guī)定。但由于該橋跨徑較大，平曲線半徑較小，雖然在支點(diǎn)設(shè)置了壓重的條件下最小支反力未出現(xiàn)負(fù)值，但抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)最小值4.65與規(guī)范值2.5較為接近。為避免受超載車輛影響，提高鋼箱梁抗傾覆穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)在橋梁內(nèi)側(cè)設(shè)置減震抗拉球形支座，杜絕支座脫空現(xiàn)象，充分保障結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。

5?結(jié)語(yǔ)

近幾年來(lái)發(fā)生傾覆事故的橋梁多數(shù)為采用了獨(dú)柱墩或是雙支座間距較小的結(jié)構(gòu)，且為整體式箱型結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)橋。本文針對(duì)某大橋連續(xù)鋼箱梁橋橫向抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，提出相應(yīng)措施以提高其抗傾覆穩(wěn)定性：

（1）橋梁內(nèi)部配重能夠很好地解決鋼箱梁結(jié)構(gòu)自重小的問題；（2）采用雙箱單室結(jié)構(gòu)、適當(dāng)增加支座間距可提高橋梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性；（3）在內(nèi)部支點(diǎn)上設(shè)置減振和抗拉式支承，可防止在偏心超載下發(fā)生支承脫空。

分析結(jié)果可知，當(dāng)橋梁完工后，隨著使用狀況的增長(zhǎng)，其承載力不會(huì)出現(xiàn)脫空，而整體連續(xù)梁也能達(dá)到穩(wěn)定要求。

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