獨柱墩鋼-混組合梁橋抗傾覆性能研究

鄒志翔 廖 鑫

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司 武漢 430010)

獨柱墩橋梁由于其行車視野開闊、造型美觀和適應地形地物等優點而廣泛應用于高速公路匝道橋及城市橋梁建設中。然而，這類橋梁一般采用單支座支承，橫向抗傾覆穩定性較差，目前國內已發生了多起橋梁傾覆事故。2007年10月，內蒙古自治區包頭市簡支鋼箱梁橋在超載作用下繞中性軸一側支座傾覆倒塌；2009年7月，津晉高速公路天津段港塘互通獨柱墩匝道橋梁在重車偏載作用下傾覆；2011年2月，浙江省上虞市春暉橋也是在重車偏載作用下發生倒塌[1]。而鋼-混組合梁橋自重較輕，當采用獨柱墩時，其抗傾覆性能更加不容忽視。

國內外在橋梁抗傾覆方面做了許多研究，并取得了一些成果。Zhou等[2]研究了小半徑對曲線鋼箱梁橋力學性能的影響；潘麗杰[3]通過對彎橋抗傾覆影響因素的分析，得出減小橋梁曲線半徑、增加結構線重度、增加端部支座間距，加大獨柱墩支座尺寸能有效提高橋梁抗傾覆能力；王剛[4]對獨柱墩曲線橋梁的抗傾覆穩定性進行有限元模擬分析，得出曲線橋的抗傾覆性能隨曲線半徑在一定范圍內增大而減小，隨著邊中跨比的減小而減?。煌羧餥5]通過對鋼箱梁橋最不利傾覆軸、支座轉角及端支座間距3個影響因素的分析，提出了抗傾覆驗算的實用標準；徐長峰[6]結合理論方法和現場試驗，對三跨連續鋼-混組合梁橋的抗傾覆性能進行分析，探討了相關規程的合理性；秦延飛等[7]通過對廣東某三跨連續獨柱墩匝道橋進行抗傾覆分析，提出橋墩增加鋼牛腿、設置三支座支撐可以有效提高結構的穩定性。

獨柱墩曲線梁橋的傾覆破壞與強度破壞相比更加敏感，但有關橋梁傾覆的計算理論尚有待完善。當前國內的橋梁設計比較注重結構的抗彎、抗剪等強度計算，而對橋梁的橫向抗傾覆問題往往關注不足。為此，本文以兩跨連續獨柱墩鋼-混組合梁橋為背景，研究其抗傾覆穩定性影響因素，并提出相應的構造改善措施，為類似橋梁的設計和施工提供參考。

1 工程概況

某互通匝道橋上跨高速公路，在中分帶處設置獨柱墩，上部結構為兩跨連續鋼-混組合梁，跨徑布置為2×35 m。組合梁橫斷面采用單箱雙室直腹板形式，梁高2.1 m?；炷翗蛎姘鍖?2.25 m，橫向采用變厚度，挑臂端部厚度為0.2 m，橫向跨中段厚度為0.25 m，鋼梁頂板處橋面板加厚至0.4 m。鋼梁單側頂板寬0.8 m，底板寬8.85 m，腹板間距4.375 m，受壓加勁板采用剛性加勁肋，橫向加勁肋間距為1.55 m。混凝土橋面板和鋼梁之間通過布置于鋼梁頂板的圓柱頭焊釘連接。支點橫梁采用箱型斷面，邊支點腹板中心距1.16 m，中支點腹板中心距1.5 m。中間矩形獨柱墩尺寸為1.4 m×4 m，兩端雙柱式墩直徑為1.4 m，基礎采用直徑1.5 m的鉆孔樁。橋梁結構布置見圖1。

圖1 橋型布置圖(單位：cm)

2 計算方法

橋梁的橫向傾覆與強度計算差別較大，不涉及上部結構的材料破壞，主要表現為整個結構作為剛體失穩。傾覆橋梁的典型破壞過程為：單向受壓支座依次持續脫空，上部結構抗扭支承失效，箱梁扭轉變形趨于發散、橫向失穩，支座擠出,橋墩斷裂。參考擋土墻和剛性基礎的抗傾覆驗算，定義抗傾覆穩定性系數、穩定作用效應和失穩作用效應[8]。公式如下。

式中：穩定效應Sbk,i和失穩效應Ssk,i為失效支座對有效支座取矩，kqf為穩定性系數，取2.5。

借助有限元軟件對全橋進行建模分析，支座采用一般支承，主梁用梁單元模擬。模型荷載主要考慮永久作用和三車道汽車活載作用。有限元分析模型見圖2。

圖2 有限元分析模型

支座編號見圖3，1-1和3-1為失效支座，1-2、2-1和3-2為有效支座。根據對稱性，以下提取支座1-1、1-2和2-1在永久作用標準值效應下的支反力及支座1-1失效時的穩定性系數進行分析。

圖3 支座編號

3 抗傾覆影響分析

3.1 曲率半徑對抗傾覆的影響

背景工程的平曲線曲率半徑為300 m，在此基礎上增加100，200，400和500 m 4種不同曲率半徑的橋梁，并與直線橋對比，分析結構抗傾覆性能隨曲率半徑的變化規律。支座豎向反力隨曲率半徑的變化曲線見圖4和圖5，穩定性系數隨曲率半徑的變化曲線見圖6。

圖4 邊支座反力隨曲率半徑變化曲線

圖5 中支座反力隨曲率半徑變化曲線

圖6 穩定性系數隨曲率半徑變化曲線

由圖4可知，內側支座反力小于外側，且隨著半徑的增大，內側支座反力逐漸增大，外側支座反力逐漸減小，兩者差值逐漸減小，上部結構受力趨向平穩；當曲率半徑由100 m增加到200 m時，曲線比較陡峭，內側支座反力增加了5.4%，外側支座反力減小了5.7%；當曲率半徑大于200 m時，曲線變化較為平緩。

由圖5可知，中支座反力受曲率半徑影響很小，當曲率半徑由100 m變化到500 m時，豎向反力僅增加了0.5%。

由圖6可知，隨著曲率半徑的增大，橋梁穩定性系數呈現先減小后增大的趨勢；當曲率半徑小于300 m時，穩定性系數隨曲率半徑增大而減?。划斍拾霃酱笥?00 m時，穩定效應和失穩效應隨著曲率半徑增大呈良性發展，穩定性系數緩慢增大；當曲率為直線橋時，穩定性系數增加至4.82，比曲率半徑為100 m時的穩定性系數5.15略小。

3.2 支座間距對抗傾覆的影響

針對曲率半徑為300 m的橋梁，改變邊墩支座間距，分別將其設定為5.25，5.75，6.25，6.75，7.25 m，分析支座間距對橋梁抗傾覆穩定性的影響。支座豎向反力隨支座間距的變化曲線見圖7和圖8，穩定性系數隨支座間距的變化曲線見圖9。

圖7 邊支座反力隨支座間距變化曲線

圖8 中支座反力隨支座間距變化曲線

圖9 穩定性系數隨支座間距變化曲線

由圖7可知，隨著邊墩支座間距的增大，內側支座反力緩慢增大，外側支座反力緩慢減小，兩者差值逐漸減?。划斨ёg距由5.25 m增加至7.25 m時，內側支座反力增加了1.9%，外側支座反力減小了0.6%。

由圖8可知，中支座反力幾乎不受邊支座間距的影響，當支座間距由5.25 m增加到7.25 m時，豎向反力僅僅增加了0.1%。

由圖9可知，穩定性系數隨支座間距的增大而逐漸增大，這是由于穩定效應力臂增大及汽車荷載負反力減小，使得橋梁抗傾覆穩定性增強。

3.3 支座偏心對抗傾覆的影響

支座偏心對橋梁的抗傾覆性能也有重要影響?？刂魄拾霃綖?00 m，邊墩支座間距為7.25 m，分別將中墩支座向內、外側各偏心20 cm和40 cm(內偏為負，外偏為正)，分析橋梁抗傾覆性能隨支座偏心的變化規律。支座豎向反力隨支座偏心距的變化曲線見圖10和圖11，穩定性系數隨支座偏心距的變化曲線見圖12。由圖10和圖11可知，支座偏心對支反力影響較大，且隨著偏心距的增大，邊墩內側支座反力逐漸增大，外側支座反力逐漸減小，中墩支座反力逐漸減??；當中支座外偏40 cm時，邊墩內側支座反力增加了22.3%，外側支座反力減小了3.5%，中支座反力減小了5.2%；當中支座內偏40 cm時，邊墩內側支座反力減小了22.7%，外側支座反力增加了9.5%，中支座反力增加了3.8%。

圖10 邊支座反力隨支座偏心變化曲線

圖11 中支座反力隨支座偏心變化曲線

圖12 穩定性系數隨支座偏心變化曲線

由圖12可知，穩定性系數隨支座偏心的增大而增大，這是由于支座外偏使得穩定效應增大，失穩效應減小，有利于提高結構抗傾覆穩定性。

3.4 車速對抗傾覆的影響

不同車速下的離心力也會影響橋梁的抗傾覆穩定性。控制曲率半徑為300 m，邊墩支座間距為7.25 m，將車速分別設定30，45，60，75，90 km/h，分析橋梁在不同車速下的抗傾覆性能。穩定性系數隨車速的變化曲線見圖13。

圖13 穩定性系數隨車速變化曲線

由圖13可知，穩定性系數隨車速的增大而減小，這是由于汽車離心力使得失穩效應增大，從而減弱橋梁抗傾覆穩定性。

4 結語

1) 曲線橋內側支座反力小于外側，隨著曲率半徑的增大，內外側支座反力分配趨向均勻；穩定性系數隨著曲率半徑的增大先減小后增大，小曲率半徑橋梁穩定性最好，其次是直線橋，而大曲率半徑橋梁穩定性較差；匝道設計時，可以采用小曲率半徑橋梁提高抗傾覆能力，同時也要考慮小曲率半徑帶來的畸變應力增大及橋梁美觀等方面的不利影響。

2) 支座間距越大，內外側支反力差值越小，從而可以有效降低內側支座脫空的風險；隨著支座間距的增大，穩定性系數逐漸增大；在獨柱墩支座兩側設置支撐桿，可以實現雙支座效果，提高結構穩定性。

3) 中支座越向外偏，邊墩內側支座反力越大，外側支座反力越小，中墩支座反力越小；穩定性系數隨支座偏心距的增大而減小。

4) 車速對橋梁結構的抗傾覆穩定性有一定影響，且穩定性系數隨車速的增大而減??；車輛在匝道拐彎處，尤其要注意減速慢行，避免離心力影響橋梁的穩定性。

5) 其他影響橋梁抗傾覆穩定性的因素還有跨徑和線重度等；在滿足橋下通行的情況下，可以適當選擇小跨徑的橋梁增強結構抗傾覆能力；在不影響橋梁局部構件強度前提下，增加配重也是提高橋梁穩定性的有效措施。