連續箱梁橋抗傾覆穩定性分析

肜 輝

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司鄭州設計院，河南鄭州 450001)

在城市高架橋梁的設計和建造過程中，由于地面道路的存在，需要盡量優化橋下空間，造成橫向支承距離較小的橋墩形式的大量應用，這種橋墩形式不僅節省橋下土地空間，還有利于視野的通透性，橋墩造型也比較美觀。這種橋墩形式的過度使用，也導致了一些橋梁橫向失穩甚至垮塌。2007年以來，天津、南京、哈爾濱、開封、河源等地陸續出現匝道橋梁側向失穩甚至垮塌的事故。事故橋梁有一些共同的特點：上部結構為單向受壓支座支承的整體式連續箱梁，橋臺或交接墩處采用兩個支座支承，其余橋墩全部或者部分采用一個支座支承。為保障城市高架橋梁的運營安全，在橋梁設計過程中進行抗傾覆穩定性分析勢在必行。

研究發現：橡膠支座的變形會降低箱梁的橫向傾覆穩定性[1]，支座間距對整體箱梁的橫向受力有較大影響[2]，而且支座間距的變化會引起整體箱梁傾覆軸線位置的變化，對支座反力的分布及整體箱梁的抗傾覆性能也有一定影響[3]；也有學者認為車輛偏載是造成橋梁傾覆的主要原因[4]。王磊等利用推導公式對部分匝道的抗傾覆系數進行了驗算，認為結構自重、橋面寬度及支座間距是影響橋梁抗傾覆能力的重要因素[5]。目前，行業內僅對橋梁傾覆規定了兩個典型特征狀態，即某一單向受壓支座脫空和箱梁抗扭支承整體失效，屬于原則性的評判標準，并未給出荷載選取辦法和大跨徑變截面寬橋的抗傾覆穩定性計算方法。以下將結合規范中橫向抗傾覆穩定性計算方法定量的對變高變寬連續箱梁橋進行分析，并提出相應的橋梁抗傾覆穩定性分析方法和判斷準則[15]。

1 工程概況

鄭州市四環線及大河路快速化工程位于鄭州市主城區與外圍區域的交界處，由大河路、東四環、南四環及西四環組成閉合環線，路線全長約93.030 km。西四環化工路立交主線橋梁左右分幅，標準段單幅橋寬有16.5 m和20.5 m兩種，其中西四環跨化工路右幅節點橋采用(40+66+40) m連續箱梁(平面布置如圖1所示)，橋面寬度為20.5～27 m，下部結構接匝道側橋墩采用門架墩、鉆孔灌注樁基礎，其余橋墩采用雙柱矩形實心墩、鉆孔灌注樁基礎[6]。

圖1 西四環跨化工路右幅節點橋平面布置(單位：m)

2 主要技術標準及設計參數

(1)設計荷載：城—A級[7]；

(2)道路等級：城市快速路80 km/h；

(3)安全等級為一級，相應的結構重要性系數γ0=1.1[7]；

(4)材料自重：預應力鋼筋混凝土自重取26 kN/m[8]；

(5)地震動峰值加速度為0.15g[9]，場地特征周期為0.4 s，抗震設防分類為乙類；

(6)橋墩不均勻沉降：主墩按15 mm計算，邊墩按10 mm計算[10]；

(7)全橋整體升溫26 ℃，整體降溫27 ℃；

(8)全橋梯度溫度：按照規范要求，取10 mm厚瀝青鋪裝[8]。

3 橋梁結構要點

3.1 上部結構

上部結構采用單箱四室截面，中支點梁高3.6 m，端支點及跨中梁高2.2 m，梁底線形按二次拋物線變化，端部等高段長10.42 m。箱梁懸臂2.5 m，箱梁跨中區域頂板厚0.25 m，底板厚0.25 m，腹板厚0.45 m，支點處頂板加厚至0.45 m，底板加厚至0.45 m(66 m跨左右支點處1.0 m)，腹板加厚至0.8 m，標準橫斷面如圖2所示。

圖2 箱梁標準橫斷面(單位：mm)

3.2 下部結構

主跨橋墩采用雙柱式矩形實心墩，柱間距為5.5 m，截面尺寸為2.0 m(橫橋向)×2.4 m(順橋向)，墩高15.5 m。

4 上部箱梁抗傾覆穩定性分析

4.1 抗傾覆穩定性分析方法

(1)單向受壓支座受壓分析

規范規定，在荷載(作用)基本組合下，整體式連續箱梁的單向受壓支座均應處于受壓狀態。在計算中應考慮汽車車道荷載(含沖擊力)設計值、車輛荷載密布荷載、成橋內力(自重、二期恒載、預應力、收縮徐變)、支座沉降、溫度作用等設計值基本組合下支反力是否為負值。

(2)正交橋梁和斜交橋梁傾覆失穩情況分析

首先需要確定整體式連續箱梁的傾覆軸線，傾覆軸線的具體取法：正橋和斜交角不大于30°的斜橋，可以選取整體式連續箱梁中心線同一側墩臺支承連接線作為箱梁的傾覆軸線。按作用標準值進行組合時，整體式截面簡支梁和連續梁的作用效應應符合下式要求[11]

(1)

式中kqf——橫向抗傾覆穩定性系數，取；

∑Sbk，i——使上部結構穩定的效應設計值；

∑Ssk，i——使上部結構失穩的效應設計值。

4.2 判斷準則

經分析發現，傾覆橋梁的破壞過程呈現為：單向受壓支座不再均勻受壓(出現零壓力甚至脫空)，整體式連續箱梁的邊界支承約束趨于失效，上部箱梁扭轉變形開始發散，橫橋向傾覆失穩，支座和上、下部的連接件破壞[12]。按照可靠度標準規定，此類損壞屬于極限承載力超標。

結構傾覆過程經歷了兩個明顯的特征狀態：①整體式連續箱梁的單向受壓支座逐漸不再受壓，甚至出現脫空；②整體式連續箱梁的所有抗扭邊界條件全部失效。參照國內、國際相關標準規范，以這兩個典型的特征狀態作為整體式連續箱梁抗傾覆穩定性分析的兩個驗算工況。

特征狀態①：在荷載基本組合下，整體式連續箱梁的單向受壓支座不應脫空。

特征狀態②：整體式連續箱梁每個橋墩上的一組支座構成一個抗扭邊界條件，對箱梁的扭矩及扭轉變形形成雙重約束；當兩個支座中的一個脫空后，另一個支座僅對扭矩有約束，對扭轉變形的約束將失去效用；隨著整體式連續箱梁抗扭約束的全部失效，橋梁將處在傾覆失穩的極限狀態[13]。

4.3 計算分析模型

箱梁混凝土強度等級為C50，按A類預應力混凝土構件設計，縱向預應力鋼絞線采用兩端張拉；橫梁配置橫向預應力鋼絞線，采用單端張拉[14]。預應力鋼筋與管道壁的摩擦系數μ=0.17，預應力鋼筋錨下的張拉控制應力值0.72fpk=1 339.2 MPa，管道每米局部偏差對摩擦的影響系數k=0.001 5，采用鋼制錐形錨具時錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮值為每端6 mm。用MIDAS Civil 2017及Civil Designer有限元分析軟件進行建模計算，將整體式連續箱梁劃分為77個空間桿系單元，并根據實際情況模擬相應的邊界條件，對整體式連續箱梁進行抗傾覆穩定性分析。箱梁整體分析模型如圖3所示。

圖3 箱梁整體分析模型

4.4 箱梁單向受壓支座受壓分析

根據有限元軟件計算，箱梁在結構恒載、溫度作用、不均勻沉降以及規范規定的汽車荷載作用下，各支座的反力如表1。

表1 支座反力統計 kN

從表1可以看出：

(1)本聯箱梁在各種荷載基本組合作用下支座均處于受壓狀態，不會出現脫空現象。

(2)對于箱梁的整體傾覆穩定性，結構恒載和汽車荷載是主要影響因素，其他作用(荷載)影響較小。

4.5 箱梁抗傾覆安全系數分析

結合以上有限元模型分析，主要考慮結構恒載、汽車荷載、溫度作用、支座沉降以及支座間距對箱梁整體抗傾覆穩定性的影響。城市高架橋梁經常出現堵車現象，故汽車荷載不僅應考慮車道荷載，還應考慮車輛荷載密布的情況。

該節點橋的橋面汽車荷載及支座布置如圖4所示(設計支座間距為5.5 m)。根據預應力橫梁計算，04Y036號墩處荷載主要集中在中間支座，而中間支座基本位于04Y033和04Y035號墩右側支座的連線上，依據4.2節分析，傾覆軸線近似取04Y033和04Y035號墩右側支座的連線。

作為傾覆荷載的車道及車輛主要布置在傾覆軸線右側，汽車荷載主要加載方式如圖5所示。

圖4 箱梁支座布置(單位：mm)

圖5 汽車荷載加載方式(單位：mm)

本橋梁為城市高架主線橋，橫向抗傾覆穩定性系數應適當提高，取kqf=3。

用公式(1)計算不同支座間距下本橋的橫向抗傾覆穩定性系數，如表2。

表2 不同支座間距下的橫向抗傾覆穩定性系數

注：表中車道荷載、車輛荷載均按《城市橋梁設計規范》(CJJ 11—2011)選取[7]。

從表2分析可以得出如下結論：

(1)支座間距不小于4.5 m時，橋梁的橫向抗傾覆穩定性系數滿足要求。

(2)抗傾覆穩定性分析中傾覆力矩主要由密布車輛荷載控制，抗傾覆力矩主要由結構恒載提供。

(3)支座間距越小，抗傾覆力矩越小，而傾覆力矩越大，因此橫向抗傾覆穩定性系數越小。

在路線總體平面確定的情況下，上部整體箱梁結構形式相應地基本確定，結構恒載、車輛荷載及其分布不會再有改變，唯一可以調節的就是下部支座間距。由上述分析結果可以看出：增大支座間距不僅可以減小傾覆力矩，還能大幅增加結構的整體抗傾覆穩定性能。

5 結束語

(1)該橋在各種荷載(作用)基本組合下，單向受壓支座均處于受壓狀態，滿足規范要求。

(2)結構恒載、汽車荷載以及支座間距是箱梁橫向抗傾覆穩定性系數的主要影響因素。支座間距越小，抗傾覆力矩越小，而傾覆力矩卻越大，橫向抗傾覆穩定性系數越小。建議主線整體式箱梁橋支座間距不小于4.5 m。

隨著我國城市交通建設的飛速發展，高架橋梁的建設也會越來越多，橋下空間也會越來越多的被利用。因此，橋梁的整體抗傾覆穩定性必須引起橋梁設計師們的充分重視，即不應過度地增大懸挑距離和減小支撐間距。