連續鋼箱梁橋抗傾覆分析

程偉偉

（山西路橋第六工程有限公司，山西 晉中 030600）

引言

鋼箱梁自重輕、節約材料、安裝工藝簡單、便于養護維修、整體穩定性好，主梁一般不會出現局部破壞，主梁的受力性能和工作性能較好[1]，近年來在我國得到了快速發展，在城市立交、斜拉橋和懸索橋等大跨徑橋梁中得到了廣泛應用。但由于鋼箱梁結構截面較薄，在承受外力作用時其內部會產生復雜的應力與形變，甚至產生畸變，會降低鋼箱梁結構的穩定性能[2-3]。

1 橋梁傾覆破壞原因分析

1.1 工程概況

某高速公路立交互通體系采用連續鋼箱梁結構，主梁采用單箱三室鋼箱梁，橋面采用雙車道設計，橋梁寬度為12.5 m。該橋梁為6 跨鋼箱曲線連續梁橋，橋跨組合為（25.6+30+40+40+30+25.6） m。大部分橋跨位于曲線上，其中部分橋跨位于半徑為90 m的平曲線上，部分橋跨位于半徑為2 500 m的平曲線上，橋面縱坡為3.5‰，橋面橫坡為-1%～ 2%。連續鋼箱梁橋大部分橋跨采用等高度梁段，只有一個邊跨和一個次邊跨采用變高度梁。

橋梁上部結構采用單箱三室鋼箱梁，梁高最小為0.9 m，最大為1.5 m。橋梁支座采用板式橡膠支座和盆式橡膠支座，橋墩結構采用圓柱形墩，樁基礎采用鉆孔灌注樁。通過調查，橋梁9～16 #橋墩墩身局部產生開裂，9～16 #橋墩支座產生了偏移和變形。經驗算橋梁承載能力滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）要求，為了保證橋梁結構的穩定性，對連續鋼箱梁結構進行抗傾覆計算，分析驗算結果制定加固方案，優化橋梁結構設計。

1.2 橋梁傾覆破壞原因分析

橋梁結構的穩定性受結構組成、支承形式和外部荷載等因素的影響，由于設計不合理、維護不到位、嚴重超載等原因會造成橋梁出現不同程度的傾覆破壞[4]。橋梁抗傾覆驗算主要是以保證橋梁上部結構穩定為出發點，保證橋梁在偏心重載作用下的穩定。因此，在進行橋梁傾覆分析前，應全面開展調查工作，確定橋梁產生傾覆破壞的原因，合理制定優化方案。

連續鋼箱梁橋傾覆破壞原因：（1）橋面上部偏載所產生的傾覆力矩較小，遠小于橋梁結構的抗傾覆力矩，支座支承狀態良好，未出現脫空，但在橋梁上部結構的恒載和車輛荷載的綜合作用下，橋梁結構長期處于偏心受壓狀態，局部產生應力集中引起變形破壞，進而導致箱梁結構傾覆破壞。橋墩在偏心受壓的作用下，出現了局部開裂。（2）橋梁中墩支承結構設計不合理，車輛超載造成支承結構破壞。該連續鋼箱梁橋原設計中墩采用單支座支承，容易產生較大的傾覆力矩。該橋梁支座雖未出現脫空現象，但已經出現了偏移和變形，一方面是由于車輛超載造成的，另一方面是由于支承結構設計不合理造成的。

2 驗算工況

為了保證連續鋼箱梁橋抗傾覆驗算的準確性，結合橋梁運行情況，確定四種驗算工況。（1）工況1：車道荷載選定為1倍城市A級荷載，按照雙車道進行偏載布置。（2）工況2：車道荷載選定為1.2倍城市A級荷載，在考慮車輛普遍超載的情況下進行加載計算，按照雙車道進行偏心加載。（3）工況3：車道荷載選定為1.3倍城市A級荷載，按照1.3倍均布荷載和集中荷載進行支座反力計算，按照雙車道進行偏心加載。（4）工況4：車道荷載選定為3倍城市A級荷載，在考慮車輛普遍超載的情況下，按照1.2倍車輛荷載進行加載計算，按照雙車道進行偏心加載。

3 橋梁體系抗傾覆分析

3.1 支座反力計算

結合橋梁設計資料，在四種驗算工況下，分別在極限偏載情況下對曲線鋼箱梁進行支座反力計算。連續鋼箱梁橋中墩采用單支座支承，支座反力計算結果見表1。

分析表1連續鋼箱梁支座反力計算結果，在四種驗算工況的荷載組合出現最小值時，邊墩內側支座反力為負。這是由于本項目曲線段連續鋼箱梁中墩采用單支座支承，相較于雙支座支承，傾覆軸線會向鋼箱梁結構內側移動，產生的傾覆力矩也會比雙支座支承大。

表1 中墩單支座支承支座反力計算結果/kN

為了進行對比分析，在中墩采用雙支座支承的情況下進行抗傾覆驗算，支座反力計算結果見表2。

表2 中墩雙支座支承支座反力計算結果/kN

分析表2支座反力計算結果，中墩采用雙支座支承時，四個驗算工況支座反力計算結果均為正值，均滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）要求。9 #和16 #邊墩工況四支座反力計算結果較小，支座內側反力最小值分別為50.6 kN和60.5 kN，雖然為正值，但安全儲備嚴重不足。因此，除了將中墩改為雙支座支承外，還需要調整預偏心值。

3.2 連續鋼箱梁橋結構優化

原設計橋梁中墩采用單支座支承，在四種驗算工況下，支座反力計算結果橋墩內側均出現了負值，而雙支座支承支反力計算結果明顯高于單支座支承，因此，該連續鋼箱梁橋的優化重點是中墩支承設計。在不改變橋梁線形和主梁結構的情況下，將原橋梁中墩單支座支承改為雙支座支承，并根據支座反力計算結果適當調整支承位置，以提高支座反力的安全儲備，進而提高橋梁的抗傾覆能力。將預偏心值調整為0.2 m，在驗算工況4下重新進行支座反力計算，與優化前的支座反力進行對比分析，繪制支座反力最大值和最小值折線圖見圖1、圖2。

圖1 優化前后工況4支座反力最大值

圖2 優化前后工況4支座反力最小值

分析圖1驗算工況4下橋梁結構優化前后支座反力最大值對比分析結果，優化后9 #～16 #墩支座反力沒有出現負值，且邊墩支座反力有一定幅度的增加，受力結構進一步優化。

對比分析圖2驗算工況4下優化前后支座反力最小值計算結果，優化后支座反力較小的邊墩有了較大幅度增加，9 #和16 #墩支座內側反力最小值分別增加到285.6 kN和249.8 kN，安全儲備增加，有效提高了橋梁的抗傾覆能力，說明該優化方案可行。

4 結語

（1）分析原橋梁支座反力計算結果，邊墩內側支座反力出現了負值，中墩采用單支座支承，也容易產生較大的傾覆力矩，需要對原橋梁設計方案進行優化。（2）分析中墩雙支座支承的支座反力計算結果，四個工況下各橋墩支座反力計算結果均為正值，但個別支座反力最小值較小，需要對支座預偏心值進行調整。（3）對比分析優化前后工況4支座反力計算結果，各墩支座反力最大值和最小值均有一定幅度的提高，尤其是最小值提高幅度較大，優化后安全儲備增加，優化方案可行。