城市高架雙支座寬橋抗傾覆計算分析

劉學清

(中國市政工程西北設計研究院有限公司福建分公司，泉州 362012)

近年來，隨著國內基礎設施的大規模建設，城市用地越來越緊張，為了節省用地，城市快速路的建設更多地采用了主路高架橋、輔路地面行車相結合的斷面。 同時，交通量的急劇增加，也促使了主路高架橋橋面寬度越來越大，為了盡可能地利用橋下空間，橋墩的支座間距越來越小，橋梁由于汽車超載引起的傾覆倒塌事故也越來越多，尤其是獨柱墩單支座橋梁傾覆破壞事故發生數次，已經引起格外注意。 目前，國內很多學者針對已發生的橋梁倒塌事故進行了大量的研究分析[1-4]，認為橋梁的抗傾覆性能可以通過調整支座布置形式得到提高。因此，如何既能合理利用橋下空間，又能保證橋梁上部主梁的抗傾覆穩定性[5]，是工程的設計施工及其未來運營均須關注的問題。 基于這一背景，提出了本文的研究。

1 工程概況

本項目范圍北側起點為泉州市福興路北718 m 處，主線往南經過509 m 地面段后以高架橋的型式分別上跨福興路、 規劃十五號路與梧林互通主線高架橋相銜接，過梧林互通后主線高架橋上跨環城高速高架橋、 站北二路、站北一路后下地以地道隧道型式下穿泉州南站站前段的高速連接線、品牌街、復興路、和諧路、梧垵路、站南一路、圍頭灣支線后往南約156 m 上地，后以地面道路的型式往南延伸，南側終點為圍頭支線南側約500 m 處；輔道依次與設計范圍內的各條現狀路及規劃路平交口相銜接。

路線實際長度為3.881 km， 道路標準段紅線寬度為55 m。道路等級：主路—一級公路兼城市快速路(雙向六車道)，設計速度：80 km/h；輔路—城市主干路(雙向六車道)，設計速度：40 km/h。

2 高架橋設計方案

(1)標準段跨徑比選

主線橋除了上跨主要道路位置、 互通匝道出入口處外的橋梁均為標準段，宜設置成標準跨徑；結合橋梁景觀性要求，若采用25 m 跨徑，橋下橋墩林立，通透性非常差，且橋梁的跨越性也較差；因此，不建議采用25 m 跨徑。40 m 跨徑的經濟性較差，同樣不建議采用。 比較30 m、35 m 跨徑，兩者經濟指標相差很小，但結合景觀性要求，推薦采用35 m 跨徑。

(2)橋梁結構形式的選擇

由于重車較多， 預應力混凝土預制連續組合箱梁的安全度較低，容易出現安全風險，因此，不推薦采用預應力混凝土預制連續組合箱梁。同時，考慮到項目所處位置為城市市區，對橋梁的景觀性要求較高，而分幅現澆連續箱梁占用輔道較多，道路斷面利用率較低，故推薦采用整幅現澆連續箱梁方案。

擬設計橋梁上部結構為等截面現澆連續箱梁。 箱梁頂板寬27 m，懸臂長度5 m，梁高2.1 m，單箱六室，頂底板平行，底板寬度為17 m，腹板厚度40～70 cm，底板厚度22～45 cm，頂板厚度25～45 cm。端橫隔梁厚度為2.0 m 和中橫隔梁厚度2.5 m。 橋面板從道路中心線往外雙向放2.5%橫坡。

從橋墩的受力性能、美觀、施工等因素考慮，對橋墩造型作了如下構思：為了匹配主梁的內凹大懸臂，橋墩需橫向打開，形成流暢的花瓶造型，推薦橋墩采用雙柱式花瓶墩，支座間距7 m，如圖1～2 所示。

3 計算模型分析

(1)計算模型建立

以主線標準段一聯3×35 m 為例，通過建立全橋空間Midas 模型進行計算分析，總共劃分55 個梁單元，結構計算模型如圖3 所示。

(2)受力階段劃分

①澆注箱梁；②張拉該段預應力鋼筋；③施工橋面系；④運營階段。

圖1 27 m 寬主線高架橋橫斷面圖

圖2 27 m 寬主線高架橋橫斷面效果圖

圖3 3×35 m 計算模型

(3)荷載組合

①組合1：恒載+活載；

②組合2：恒載+活載+升溫+溫度梯度+墩臺不均勻沉降(5 mm)；

③組合3： 恒載+活載+降溫+溫度梯度+墩臺不均勻沉降(5 mm)。

4 上部結構受力分析

(1)持久狀況抗裂驗算

①作用短期效應組合下正截面抗裂驗算

現澆連續梁上、下緣最小正應力情況見圖4。

圖4 作用短期效應組合下連續箱梁上、下緣最小應力包絡圖

從圖4 可以看出， 作用短期效應組合下現澆連續梁上、下緣均不出現拉應力，滿足規范要求。

②作用短期效應組合下斜截面抗裂驗算

現澆連續梁最小主拉應力情況見圖5。

圖5 作用短期效應組合下現澆連續梁最小主拉應力包絡圖

從圖5 可以看出， 作用短期效應組合下現澆連續梁最小主拉應力為-0.73 MPa，小于規范允許值0.5ftk=-0.5×2.65=-1.33 MPa，滿足規范要求。

(2)持久狀況應力驗算

①持久狀況下正截面混凝土最大壓應力驗算

現澆連續梁混凝土上、下緣最大壓應力情況見圖6。

圖6 標準效應組合下現澆連續梁上、下緣最大拉應力包絡圖

從圖6 可以看出， 作用標準效應組合下現澆連續梁上、下緣混凝土最大壓應力為14.02 MPa，小于規范允許值0.5ftk=0.5×32.4=16.2 MPa，滿足規范要求。

②持久狀況下正截面鋼筋最大拉應力驗算

持久狀況組合下現澆連續梁預應力鋼筋最大拉應力小于規范7.1.5 中0.65fpk=0.65×1860=1209 MPa，滿足規范要求。

③持久狀況下混凝土主壓、主拉應力驗算

現澆連續梁混凝土持久狀況下混凝土主壓應力情況見圖7。

圖7 持久狀況下混凝土主應力圖

從圖7 可以看出，持久狀況組合下現澆連續梁混凝土主壓應力最大值為14.02 MPa， 小于規范允許值0.6fck=0.6×32.4=19.4 MPa，滿足規范要求。

(3)承載能力極限狀態強度驗算

現澆連續梁混凝土基本組合下最大彎矩及其對應的抗力情況見圖8。

圖8 基本組合現澆連續梁最大彎矩及其對應的抗力圖

現澆連續梁混凝土基本組合下最小彎矩及其對應的抗力情況見圖9。

圖9 基本組合現澆連續梁最小彎矩及其對應的抗力圖

從圖9 可以看出， 現澆連續梁的承載能力在基本組合下正截面彎矩與其對應的抗力，滿足規范要求。

5 抗傾覆驗算分析

按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[6]第4.1.8 條規定，持久狀況下，梁橋不應發生結構體系改變，并應同時滿足下列規定：

(1)在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態。

(2)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公式要求：

式中，kqf為橫向抗傾覆穩定性系數，取kqf=2.5；∑Sbk，i為使上部結構穩定的效應設計值；∑Ssk，i為使上部結構失穩的效應設計值。

支座平面編號示意如圖10 所示。

圖10 支座平面編號示意

由圖10～12 和表1 計算結果表明，3×35 m 箱梁最不利荷載工況下，全橋支座最小反力為3718 kN，處于受壓狀態；橫橋向抗傾覆穩定系數最小為12＞2.5，均滿足新規范要求。

圖11 恒載作用下最不利組合計算結果

圖12 汽車荷載作用下最不利組合計算結果

表1 3×35 27m 寬現澆箱梁抗傾覆驗算結果匯總

6 結論與探討

綜上分析， 城市高架橋傾覆倒塌主要是由于梁部整體傾覆(翻落、滑落)，梁體和墩臺本身無結構性破壞，或傾覆過程中由于梁體的傾斜致使獨柱墩傾斜或倒塌， 進而引起梁體完全傾覆，梁體本身強度均無問題。 因此，在進行城市高架橋設計時， 尤其涉及到需要充分利用橋下空間作為輔路的橋梁，可以適當提高高架橋的高度，橋墩可考慮采用花瓶墩， 在盡量不壓縮輔路的情況下拉開支座間距，從而增加了橋梁梁體的抗傾覆穩定性，也證實了城市高架橋采用這種寬橋斷面是合理的， 為今后類似工程提供參考。