基于抗傾覆穩定性的小半徑連續彎箱梁橋平面方案布設研究

■劉穎波 荀 絢 官磊磊

(1.蘇交科集團股份有限公司， 南京 210019； 2.南京瑞迪建設科技有限公司， 南京 210029)

1 引言

小半徑連續彎箱梁橋與路線平面線型匹配度高、造型美觀，在高速公路交叉的樞紐工程中應用十分廣泛。 但其受力情況比直線梁橋復雜，尤其是在汽車荷載偏心作用下，橫橋向抗傾覆穩定性較差。

近年來，諸多學者和工程技術人員從不同角度研究了小半徑連續彎箱梁橋的抗傾覆穩定性能。 何雄君等[1]從半徑取值、車輛超載程度及支座布置形式等方面研究了小半徑獨柱墩連續箱梁的抗傾覆性能。 殷新鋒等[2]研究了曲率半徑、橋梁跨數、梁端支座間距等因素對連續彎箱梁橋抗傾覆穩定性的影響。 張玥等[3]采用仿真計算研究了連續彎箱梁橋在多個因素改變條件下對臨界曲率半徑的影響。 以上研究均采用了JTG D62-2012 征求意見稿[4]中的傾覆軸線理論，主要研究了獨柱墩彎橋的抗傾覆穩定性，尚未從橋梁平面方案布設角度開展研究。

隨著2018 年底JTG 3362-2018[5]的實施，橋梁抗傾覆計算方法調整為抗扭支承理論。鑒于此，本文以某高速公路樞紐互通匝道橋為工程實例， 以抗扭支承理論為依據，采用Midas Civil 2019 有限元軟件分析了小半徑連續彎箱梁橋采用雙支座橋墩對抗傾覆穩定性的提升效果， 并在此基礎上分別建立了不同跨徑、 不同聯長的小半徑連續彎箱梁橋有限元模型，研究了其對抗傾覆穩定性的影響。

2 計算理論

整體式截面箱梁橋的同一橋墩雙支座構成一個抗扭支承，橋梁傾覆失穩表現為：其中一個支座脫離正常受壓狀態， 即該橋墩的抗扭支承失效，當箱梁的抗扭支承全部失效后， 箱梁橋發生傾覆破壞。

根據新規范[5]，持久狀況下梁橋不發生傾覆破壞需同時滿足以下規定：

(1)在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態；

(2)在作用標準值組合下，整體式截面箱梁橋橫橋向抗傾覆穩定系數k 需滿足：

式中：Sbk，i為標準組合下使上部結構穩定的效應設計值；Ssk，i為標準組合下使上部結構失穩的效應設計值。

3 模型建立

某高速公路樞紐互通匝道橋平面半徑R=60 m，橋梁寬度9 m，單箱單室截面，懸臂長度2 m，橫斷面布置如圖1 所示。 橋面調平層采用6 cm 厚C50混凝土，鋪裝采用10 cm 厚瀝青混凝土。

采用Midas Civil 進行有限元模擬，選取該平面半徑下常用的橋跨布置建立模型，如表1 所示。

圖1 箱梁橫斷面圖(20 m 跨徑)

表1 Midas Civil 有限元模型一覽表

主梁采用梁單元，橋面調平層、鋪裝和防撞護欄考慮為二期恒載，荷載集度為55.1 kN/m，彎橋自重和二期恒載產生的附加扭矩效應按均布扭矩荷載考慮；汽車荷載偏心布置，采用車道荷載按最不利工況依次布置在曲線外側橋面，離心力采用車輛荷載按均布荷載考慮，設計時速60 km/h、平面半徑R=60 m 的彎橋離心力荷載集度為11.5 kN/m。

4 抗傾覆穩定性分析

4.1 雙支座橋墩對抗傾覆穩定性的提升效果

選取一聯3×20 m 連續彎箱梁橋作為研究對象， 分別建立了雙支座中間墩和單支座中間墩兩種計算模型(圖2～3)，得到了最不利工況下的支座反力和抗傾覆穩定系數，如表2 所示。基本組合下單支座中間墩模型端支點曲線內側出現了支座脫空，不滿足規范要求；雙支座中間墩模型能夠大幅改善支座脫空現象，但支座壓力富余值不大；標準值組合下單支座中間墩模型抗傾覆穩定系數僅0.7＜2.5，不滿足規范要求，雙支座中間墩模型大大提高了抗傾覆穩定性， 抗傾覆穩定系數達到了6.8＞2.5，滿足規范要求。

圖2 雙支座中間墩連續彎箱梁橋有限元模型(20 m 跨徑)

圖3 單支座中間墩連續彎箱梁橋有限元模型(20 m 跨徑)

表2 3×20 m 連續彎箱梁橋不同支座中間墩模型最不利工況計算結果

4.2 不同跨徑對抗傾覆穩定性的影響

根據以上結果，分別選取一聯3×20 m、3×25 m和3×30 m 連續彎箱梁橋進行研究， 建立了雙支座中間墩計算模型，得到了最不利工況下的支座反力和抗傾覆穩定系數(表3)。 標準值組合下3×20 m 連續彎箱梁橋抗傾覆穩定系數為6.8，3×25 m 彎箱梁橋抗傾覆穩定系數7.5，提升了10%，但在基本組合下3×25 m 連續彎箱梁橋邊墩曲線內側出現了支座脫空，支反力為-46.2 kN，不滿足規范要求。 標準值組合下3×30 m 連續彎箱梁橋抗傾覆穩定系數僅為3.3，基本組合下支反力達到-375.5 kN，抗傾覆穩定性最差。

表3 不同跨徑連續彎箱梁橋雙支座中間墩模型最不利工況計算結果

4.3 不同聯長對抗傾覆穩定性的影響

綜上所述， 選取20 m 跨徑雙支座中間墩連續彎箱梁橋作為研究對象，分別建立了4 種不同聯長的計算模型，得到了最不利工況下的支座反力和抗傾覆穩定系數,如表4 所示。基本組合下不同聯長模型均未出現支座脫空，支座壓力富余值隨著聯長的增加而增大，當聯長達到5 時，支座壓力富裕值反而變小；標準值組合下抗傾覆穩定系數均大于2.5，滿足規范要求， 且隨著聯長的增加呈增長趨勢，增長率達到10%～16%。

表4 不同聯長連續彎箱梁橋雙支座中間墩模型最不利工況計算結果

5 結論

抗傾覆穩定性是互通匝道小半徑連續彎箱梁橋設計需重點考慮的內容。 本文通過建立小半徑連續彎箱梁橋模型進行研究，得出以下結論。

(1)與單支座橋墩相比，雙支座橋墩能夠大大提高小半徑連續彎箱梁橋的抗傾覆穩定性，在實際工程中應盡量避免采用單支座橋墩方案。

(2)平曲線半徑R=60 m 的連續彎箱梁橋，3×20 m和3×25 m 跨徑抗傾覆穩定系數相差不大， 但由于25 m 跨徑車道荷載集中力的提高，最不利工況下端支點曲線內側支座出現了脫空現象，因此在小半徑匝道上盡量采用小跨徑布設橋梁方案，有利于提高抗傾覆穩定性。

(3)相同跨徑下聯長越長，抗傾覆穩定性越好，但考慮小半徑彎橋分聯過長存在內外側梁長變形不一致、預應力損失大、容易出現橫向爬移等問題，一般工程中取3～4 孔一聯為宜。