連續箱梁橋抗傾覆穩定性分析

李 巍

（遼寧省交通科學研究院 沈陽市 110015）

連續箱梁橋抗傾覆穩定性分析

李 巍

（遼寧省交通科學研究院 沈陽市 110015）

汲取獨柱墩橋梁傾覆事故的經驗和教訓，采用有限元軟件Midas對京哈高速公路杏山樞紐立交改建工程A匝道第三聯（4×25m預應力混凝土連續箱梁橋）進行建模分析計算，對其施加各類極限工況下的橋面荷載，并調整布載方式，分析此類橋梁的抗傾覆能力，提出相關驗算方法，討論與連續箱梁橋抗傾覆穩定性的相關因素。

連續箱梁橋；抗傾覆穩定性；有限元分析；Midas

1 引言

獨柱墩橋梁在偶然極限偏心荷載作用下，往往可能會發生橋梁整體橫向失穩，近年來發生的各類獨柱墩橋梁橫向失穩事故，使橋梁設計人員更偏向于選擇雙柱墩乃至三柱墩式橋梁，拋棄以往的獨柱墩橋梁設計方案，但連續箱梁橋在多柱墩支撐下其抗傾覆能力究竟有多少提高，橋梁結構能否滿足偏心荷載作用下抗傾覆穩定性要求，尚未有大量相關研究與計算分析。

本文以某四跨預應力混凝土連續箱梁橋為例，利用有限元軟件Midas/Civil2010對其進行了有限元建模分析，通過對其施加各類極限最不利荷載，計算該橋梁抗傾覆穩定性能力，綜合計算結果，提出對此類橋梁結構設計的建議［1］。

2 工程實例

2.1工程概況

杏山樞紐立交改建工程A匝道橋第三聯，位于京哈高速公路杏山樞紐互通式立交區內，橋梁設計角度為90°，8、9#橋墩平行于中分帶布置，設計交角113°，跨徑布置為：（24.96+25+25+24.96）m。該橋梁為預應力混凝土現澆連續箱梁橋，設計荷載為公路I級，橋面凈寬14.0m，設計安全等級為一級，環境類別為II級［2］。

本橋位于R=280m左偏圓曲線內，箱梁截面為單箱雙室截面，箱梁梁高為150cm，箱梁頂板寬1495cm，底板寬 1100cm，翼緣懸臂長度 197.5cm。箱梁頂板寬度在支點處為45cm，跨中梁段為25cm；箱梁底板厚度在支點處為45cm，跨中附近梁段范圍為25cm；腹板厚度在支點附近梁段范圍內為80cm，跨中附近梁段范圍內為50cm，腹板漸變長度為400cm。

全橋預應力鋼束采用低松弛鋼絞線，公稱直徑15.2mm（7Φ5.0），公稱面積140.0mm2，標準強度fpk=1860MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，其技術性能應符合現行國家標準《預應力混凝土用鋼絞線》（GB/T 5224-2003）的要求。預應力鋼束采用兩端張拉，張拉控制應力為1395MPa。

全橋采用圓柱墩，連續墩采用1.3m雙柱，接1.5m樁基。橋面鋪裝為8cm的C50水泥混凝土鋪裝和10cm的瀝青混凝土鋪裝，瀝青混凝土與水泥混凝土之間設防水層。

2.2判定標準

抗傾覆驗算：

給出在各類荷載工況下的上部結構抗傾覆穩定安全系數。抗傾覆穩定安全系數驗算暫按新版《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（總校稿）要求進行。

橋梁上部結構的抗傾覆穩定系數應滿足以下要求：

式中：kdf—抗傾覆穩定系數；

Sbk—使上部結構傾覆的汽車荷載（含沖擊作用）標準值效應；

Ssk—使上部結構穩定的作用效應標準組合。荷載僅布置于橋梁傾覆軸線的一側，傾覆軸線與加載區域布置如圖2所示。

2.3施加荷載工況

全橋箱梁采用Midas/Civil2010程序進行縱橋向內力分析和配束，結構采用部分預應力A類構件設計，連續箱梁設計時參照交通部部頒標準《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）考慮了箱梁有效翼緣寬度［3］，頂板升降溫參照交通部部頒標準《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）中有關條款信息，箱梁各項受力指標滿足規范要求。

（1）自重：箱梁采用 50#混凝土，自重按ρ= 26kN/m3計算；

（2）設計荷載：公路I級；

（3）汽車沖擊系數：程序自動計算；

（4）基礎變位：不均勻沉降0.5cm，按最不利工況進行組合；

（5）溫度梯度：按10cm瀝青鋪裝考慮溫度梯度，正溫差：T1=14.0℃，T2=5.5℃；反溫差：T1=-7.0℃，T2=-2.75℃；

（6）二期恒載：單側防撞墻 q=12.01kN/m，鋪裝q=61.6kN/m。

除上述荷載，連續箱梁計算極限組合計入預應力二次力矩、收縮徐變等作用。

本次建模計算中車輛荷載采用以下2種工況：

工況1：《公路工程技術標準》（JTG B01-2014）公路-I級荷載；

工況2：重車自定義荷載，考慮車輛超載情況（分別取超載30%、50%、100%），按規范車輛荷載（55t）車列布載，前車與后車凈距為1.0m［4］。

針對以上兩種工況對A匝道第三聯進行抗傾覆計算。

2.4有限元模型

全橋采用Midas/Civil2010建立有限元模型，模型采用懸臂法建模助手建立，建模過程為：定義初始材料特性及初始界面特性→采用懸臂法建模助手初始化模型→采用PSC橋梁建模助手細化初始模型→預應力鋼束布置→定義荷載、邊界條件及施工階段→模型完成［5］，完成的有限元模型如圖7。

全橋有限元模型共有249個節點，115個桿單元，C50混凝土收縮徐變采用China《JTG D62-2004》，抗壓強度采用歐洲規范《CEB-FIP》?？v橋向預應力鋼束共104組，對于小半徑的曲線橋梁，當橋梁處于圓曲線范圍內，應當采用“2D+圓弧+曲線”的模式定義鋼束形狀，這樣才能保證鋼束的平彎定義符合實際情況，保證分析計算結果的準確。

模型中邊界條件含123個彈性連接，5個剛性連接，滿堂支架采用節點代替，為全約束。施工中的臨時約束對分段施工或節段施工的連續梁橋的永久內力及變形有重要影響，本橋為在滿堂支架上進行逐段施工，需要考慮施工中滿堂支架的臨時約束條件。小跨徑橋梁的滿堂落地支架一般采用門式主桁架結構或萬能桿件結構，其抗壓剛度一般在30000～90000（B/H）t/m之間，本橋模型中取60000（B/H）t/m，箱梁底寬B為11.0m，梁底離地面H約10.0m，因此其抗壓剛度取55000（B/H）t/m。支座抗壓剛度可參考國際及支座廠家資料，不同規格的支座其抗壓強度也不同［6］。

本橋施工順序為7#→8#→9#→10#→11#墩，因此模型中可劃分為6個施工階段，見表1。

2.5計算結果

根據以上Midas/Civil2010有限元模型，全橋在各工況下的傾覆系數及彎矩計算結果如表2。

表1　施工階段說明

表2　本橋傾覆系數計算結果

3 結論與建議

（1）工況1（公路I級+恒載+支座沉降+溫度梯度+整體升降溫）：傾覆系數為12.71＞2.5，結構安全不傾覆；

（2）工況2（1.0m間距重車+恒載+支座沉降+溫度梯度+整體升降溫）：

車輛超載30%時傾覆系數6.76；

車輛超載50%時傾覆系數5.83；

車輛超載100%時傾覆系數4.59。

通過以上驗算可知，該橋梁結構在各工況荷載組合作用下，傾覆系數均大于限值2.5，本橋結構均能滿足結構抗傾覆要求。

橋梁傾覆破壞為瞬間行為，類似于結構的“脆性”破壞，防范困難，經濟損失大，應引起從業人員高度重視。通過本文的算例分析發現，多柱墩連續梁橋在各種最不利極限荷載組合作用下，均能滿足結構抗傾覆要求，相對于單柱墩橋梁，其抗傾覆能力有較大提高，設計人員在相關的橋梁設計工作中，可適當增加墩的數量，提高橋梁結構的橫向穩定性。當橋梁結構的抗傾覆安全系數不滿足要求時，應采取可靠的抗傾覆措施及加固措施，防止意外事故發生。

［1］ 袁攝楨，戴公連，吳建武.單柱寬幅連續梁橋橫向傾覆穩定性探討［J］.中外建筑，2008（7）：154-157.

［2］ 中華人民共和國交通部.JTGD60-2004公路橋涵設計通用規范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］ 中華人民共和國交通部.JTGD62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［4］ 梁峰.三跨獨柱連續梁橋抗傾覆能力研究［J］.公路，2009，10（10）：40-43.

［5］ 黃國勇，蘭長青.墩梁固結獨柱墩橋梁抗傾覆分析及加固設計方法［J］.公路交通科技（應用技術版），2011（12）：87-89.

［6］ 李學輝，王蘊華.獨柱支撐連續箱梁彎橋傾覆事故的成因分析及加固設計［J］.公路交通科技（應用技術版），2012（2）：3-5.

Analysis on Stability Against Overturning of Continuous Box Girder Bridge

LI Wei

（Liaoning Transportation Research Institute，Shenyang 110015，China）

Learning experience and lessons from overturning accident of single-column pier bridge，the modeling analysis and calculation are made on No.3（4×25m prestressed concrete continuous box girder bridge）of Ramp A in Reconstruction Project of Xingshan Hub Interchange of Jingha Expressway by adopting finite element software Midas，so as to impose bridge deck load under all kinds of limited conditions，and adjust loading mode. The capacity against overturning of such kind of bridge is analyzed，the relevant check calculation method is put forward，and factors relating to stability against overturning of continuous box girder bridge are discussed.

Continuous box girder bridge；Stability against overturning；Finite element analysis；Midas

U441

A

1673-6052（2016）01-0015-04

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.01.004