曲線橋梁結構抗傾覆分析與研究

孫 東 （安徽省交通勘察設計院有限公司，安徽 合肥 230011）

1 引言

隨著社會的進步和經濟的發展，我國公路和城市道路建設也取得了飛速的發展，作為道路重要組成部分的橋梁也得到了相應的發展，跨越大江大河的長大橋梁和城市高架也相繼修建，為我們的交通運輸和安全出行提供了更加舒適、便捷的服務。隨著多年的運營，橋梁各種問題及病害也逐漸凸顯出來，尤其是橋梁安全問題越來越受到國內外相關專家和學者的關注，近年來橋梁坍塌事故時有發生，給國家和社會帶來巨大的災難和損失，引發了社會的廣泛關注，本文通過工程實例，采用有限元模型，分析橋梁傾覆過程和機理，通過Midas civil軟件模擬三跨連續梁不同工況下抗傾覆性能影響分析，找出影響箱梁傾覆性能的主要因素。

2 橋梁傾覆背景及技術分析

箱梁結構廣泛應用于國內外市政高架、立交樞紐、公路互通匝道等結構。為滿足通行要求，橋下受限時，常采用獨柱式橋墩結構，減少占地空間，自2007年以來，橋梁傾覆事件時有發生。

事件一：2007年10月23日，內蒙古包頭市民族東路與鐵路交叉的高架橋發生傾覆，該橋梁上部結構為單跨簡支鋼箱梁，下部結構為小間距雙支座＋花瓶墩，事發時三輛單車重約100t重車偏載通行，主梁繞中心軸一側支座傾覆，鋼主梁、混凝土橋墩無結構性破壞；事件二：2009年7月15日，天津市津晉高速公路港塘收費站800m外匝道橋坍塌，5輛載貨車墜落，該匝道橋上部結構為17.5m＋22m＋22m＋17.5m鋼筋混凝土結構連續箱梁，下部結構為單支座＋獨柱墩，傾覆事件發生時三輛單車重約140t重車偏載通行，整體倒塌，倒塌后橋梁結構整體性基本完好；事件三：2010年11月26日，位于雨花臺區小行地鐵站附近南京城市快速內環西線南延工程四標段在B17—B18鋼箱梁防撞墻施工時，鋼箱梁發生傾覆，該橋梁為上部結構為簡支鋼箱梁，橋梁下部結構為小間距雙支座，事發時，受拉支座錨栓未灌漿，梁體與橋墩間無錨固連接，澆筑護欄產生了偏心荷載，使得鋼箱梁側翻墜落；事件四：2011年2月21日，浙江省紹興市上虞區境內的春暉立交橋發生引橋坍塌，總長度120m，最高落差7m，該橋梁上部結構為6m×20m鋼筋混凝土結構連續箱梁，下部結構為單支座＋獨柱墩，事發時，三輛單車重約120t的重車偏載通行，梁體發生扭轉傾斜并向右側滑移，結構整體性基本保持完好；事件五：2012年8月24日，哈爾濱陽明灘大橋發生垮塌事故，該橋上部結構為36m＋50m＋36m鋼混組合結構連續梁，下部結構為單支座＋獨柱墩，事發時，四輛單車重約120t重車偏載通行，主梁翻落至底面，結構整體性基本完好；事件六：2015年6月19日，粵贛高速廣州往河源方向城南出口匝道橋突然斷裂坍塌，該橋上部結構為3m×25m預應力混凝土結構連續梁橋，下部結構為單支座＋獨柱墩，事發時，三輛單車重約120t重車偏載通行，主梁翻落至底面，結構整體性基本完好。

從以上傾覆橋梁的結構型式和傾覆發生時車輛統計可以發現，這些橋梁在結構類型、事故原因和破壞特征基本相同，橋梁結構型式主要為箱型截面，支承體系主要為單支座或小間距雙支座，事故原因是因為偏心荷載作用，以上幾種原因導致傾覆事件的發生。

3 概況

某跨河橋主橋采用（40+65+40）m變截面連續箱梁，上部結構采用單箱單室斷面，頂板寬度為18m，底板寬度為9.5m，采用斜腹板，箱梁支點梁高3.8m，跨中梁高2.0m，采用掛籃現澆施工。

4 計算模型

本文采用4種模型分別對橋梁進行抗傾覆分析驗算，模型1（直線）橋臺采用雙支座，支座間距為6.5m，橋墩采用單支座；模型2（曲線半徑350m）橋臺采用雙支座，支座間距為6.5m，橋墩采用單支座；模型3（曲線半徑350m）橋臺采用雙支座，支座間距為6.5m，橋墩采用雙支座，支座間距為5m；模型4（曲線半徑350m）橋臺采用雙支座，支座橫向間距為8m，橋墩采用雙支座，支座橫向間距為7.5m。

圖1 4種有限元模型支座布置對比示意圖

5 抗傾覆驗算結果

下面分別對4種模型進行抗傾覆驗算，驗算結果如圖2所示。

圖2 4種有限元模型抗傾覆驗算結果對比表

通過以上4種模型進行對比分析，模型2橋墩采用單支座，抗傾覆驗算無法通過，而模型1、模型3和模型4抗傾覆驗算均能通過，且模型4的橫向抗傾覆穩定性系數比模型3大。由此可知，橋梁的傾覆性能不僅與橋梁結構的線形有關，而且與支座布置間距有關，對于曲線梁橋及支座間距小的橋梁其抗傾覆性能將更不利。

6 結論與建議

通過以上有限元模型驗算結果對比可以看出，影響橋梁抗傾覆性能的因素主要包括橋梁的平面線形及曲線半徑、橫橋向支座數量、支座間距等因素，同時還包括橋梁抗扭跨徑、邊中跨比等因素。因此，我們在預應力混凝土連續梁橋設計時應綜合考慮以上主要影響因素，在條件允許的情況下，盡量采用雙支座或多支座，避免采用單支座，另外，曲線橋梁設計時應盡量增大曲線半徑，使箱梁彎扭耦合效應減小，提高橋梁抗傾覆性能。