曲率半徑對于連續梁橋的抗傾覆穩定性影響研究

施逸卉

摘要：依據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（（JTG 3362-2018）的第4.1.8規定，利用邁達斯有限元軟件建立不同曲率半徑連續梁橋模型，進行抗傾覆穩定性分析并進行對比研究。并對于連續梁橋的設計提出相關建議，進而避免橋梁傾覆事故對社會造成重大影響與損失。

關鍵詞：抗傾覆穩定性連續梁橋 有限元軟件 曲率半徑 支座

引言

連續橋梁由于造型美觀、占地面積較小等優勢，在城市高架橋中應用廣泛，尤其小半徑曲線橋經常得到設計采用。但由于近年來城市高架傾覆事故發生較為頻繁，故其成為社會被廣泛探討的話題與焦點。在《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）實施后，相關設計人員對于連橋梁橋的抗傾覆穩定驗算更加重視，并已成為設計過程中的重要驗算內容。本文結合具體工程實例，對于某高速公路不同曲率半徑連續梁橋進行抗傾覆穩定性分析研究。

1工程概況

取某高速公路互通匝道橋第7聯和第9聯進行分析，采用跨徑組合均為（3*30）m，第7聯曲率半徑為125m，第9聯曲率半徑為600m，結構形式均為單幅雙車道匝道橋。此互通匝道橋橋寬為10.5m，懸臂長為1.75m，梁高1.8m，橋寬組合為0.5m（墻式護欄）+9.5（行車道）+0.5m（墻式護欄）=10.5m。上部結構采用預應力混凝土連續箱梁結構，施工方式為滿堂支架現澆。下部結構橋墩為雙支座花瓶墩，鉆孔灌注樁基礎。花瓶墩支座間距為3.2m，橫橋向長4.8m，縱橋向寬2.6m，無偏心。其主要工程材料的參數如下：上部結構采用C50混凝土，下部結構采用C40混凝土，橋面鋪裝為10cm厚瀝青混凝土加上7cm厚C40防水混凝土。

2建立模型

采用邁達斯有限元分析軟件分別對第7聯和第9聯進行單梁模型建模分析。本橋荷載按照工程實際情況施加，考慮了結構自重、二期恒載、活載、預應力、溫度效應、混凝土的收縮徐變等控制因素。同時按施工圖紙建立相應施工階段模型，考慮預應力張拉、施工順序、非線性等環境因素對支座反力的影響。橫橋向共布置兩車道，單車道寬為1.8m，車道與車道間間距為1m.車道荷載依據《公路橋梁設計規范》中所提要求，按集中荷載P=280 kN，均布荷載q=10.5kN/m進行受力布置。支座與梁體間的連接采用彈性連接進行模擬。

3抗傾覆分析

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）條文說明第4.1.8條：橋梁發生事故的破壞過程表現為，單向受壓支座脫離了正常的受壓工作狀態，上部結構的支承體系不再提供有效約束，上部結構扭轉變形趨于發散、橫向失穩垮塌，支座、下部結構連帶損壞。按照現行《工程結構可靠性設計統一標準》 （GB 50153）的規定，這類破壞屬于承載能力極限狀態范疇。

橋梁的傾覆過程中存在2個明確特征狀態：特征狀態1：箱梁的單向受壓支座開始脫離受壓;特征狀態2，箱梁的抗扭支承全部失效。本文參考國內外相關規范，采用這兩個特征狀態作為抗傾覆驗算工況。

1）針對特征狀態1，作用基本組合下，箱梁橋的單向受壓支座處于受壓狀態。

2）箱梁橋同一橋墩的一對雙支座構成一個抗扭支承，起到對扭矩和扭轉變形的雙重約束;當雙支座中一個支座豎向力變為零、失效后，另一個有效支座僅起到對扭矩的約束，失去對扭轉變形的約束;當箱梁的抗扭支承全部失效時，箱梁處于受力平衡或扭轉變形失效的極限狀態，即達到特征狀態5，如圖 5-c。對特征狀態2，參考擋土墻、剛性基礎的橫向傾覆驗算，采用“穩定作用效應≥穩定性系數x失穩作用效應”的表達式。

箱梁橋處于特征狀態2時，各個橋墩都存在一個有效支座。穩定效應和失穩效應按照失效支座對有效支座的力矩計算：

綜合考慮該簡化分析方法的偏差系數和實際車輛密集排布情況下汽車荷載效應的放大系數，確定橫向抗傾覆穩定性系數為2.50，即? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?≥2.5。

3）橫向抗傾覆穩定性驗算的主要規定：

獨柱墩橋梁橫向傾覆過程存在如下2個明確特征狀態：

特征狀態1：箱梁的單向受壓支座開始脫離受壓工作狀態;

特征狀態2：箱梁的抗扭支承全部失效。

本文參考國內外相關規范，并結合工程實例，采用這兩個特征狀態作為小半徑現澆連續梁橋的抗傾覆驗算分析依據，為相關設計人員提供參考價值。

4驗算結果

根據橫向抗傾覆穩定性驗算的主要規定進行如下兩種特性驗算，表中支座編號均為1號和2號支座，其中1號支座為內側支座。

1）基本組合支座反力驗算

從上述表可知，不同曲率半徑連續梁橋在特征狀態1下各支座保持受壓狀態，滿足規范要求，其中R=600m的連續梁橋最小支座反力更大，設計更偏于保守。

2）抗傾覆安全系數驗算

從上述表可知，不同曲率半徑連續梁橋在特征狀態2下抗傾覆穩定性系數均>2.5，滿足規范要求，其中R=600m的連續梁橋穩定性系數更大更有利。

故此項目第7聯與第9聯均滿足抗傾覆穩定性驗算，無需進行加固措施。

5結論

1）本文以某高速公路互通匝道橋第7聯與第9聯為研究背景，針對特征狀態1和特征狀態2進行分析得出結論，在標準組合下，連續橋梁梁未出現負反力，同時抗傾覆穩定系數均>2.5，所以滿足規范要求，無需對此橋進行抗傾覆加固。

2）連續梁橋的曲率半徑越大，越有利于提高抗傾覆穩定性，故建議在設計過程中可適當提高匝道橋梁的曲率半徑，從而提高橋梁的穩定性。

3）由于傾覆事故頻發，故在工程設計中應當盡量避免設計單支座橋墩，對于雙支座結構連續梁橋，建議增加支座間距，避免支座脫空。提高橋梁的整體穩定性。

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（作者單位：中鐵大橋勘測設計院集團有限公司）