小半徑人行橋傾覆穩定性設計與分析*

費建文 寧曉駿 謝健科

(1.昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500； 2.云南未來土木工程設計有限公司 昆明 650000)

0 引言

近年來，橋梁傾覆事件不斷發生，《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362—2018)[1](以下簡稱《橋規》)中相應增加了混凝土橋梁抗傾覆驗算的相關要求，人們越來越重視橋梁的抗傾覆設計與研究，同時也取得了不少的研究成果，但對于人行橋的抗傾覆研究成果相對較少。人行橋大多具有橋面較窄，同時由于景觀要求高，下部橋墩結構經常會選用如花瓶墩類的墩柱結構形式[2-3]。人行橋常會因為周圍環境變化而吸引人群位于橋梁的某一側，這種情況對于橋梁來說便是一種嚴重的偏載情況，在此情況下對于橋梁的傾覆穩定性要求較高，尤其是小半徑的曲線人行橋。

本文以某人行橋為工程背景，分別分析了改變橋梁的曲線半徑、支座間距以及設置固結墩3種情況下，人行橋在最不利荷載工況作用下的傾覆穩定性，以期為該類型橋型的設計和施工提供參考。

1 工程概況

某3 m×13 m連續梁景觀人行橋，上部為三跨現澆連續板，橋面寬度為3.0 m，橋墩采用獨柱墩，全橋采用雙支座，支座間距取1.2 m。人群荷載按照《城市橋梁設計規范》取q=4.6 kPa；結構自重系數按SZ=-1.04考慮；二期橋面鋪裝荷載W=2.5 kPa；防護欄桿荷載P=5 kN/m；系統溫度按±20 ℃考慮；截面梯度溫度按照《公路橋涵設計通用規范》[4]加載。采用有限元軟件Midas Civil及Civil Designer進行建模分析，其有限元計算模型如圖1，橋梁截面形式如圖2。

經過計算分析對比，當人群荷載在橋梁曲線外側半幅加載作用下，橋梁支座更容易脫空，即橋梁更容易發生傾覆，因此本文選用此荷載工況作為研究分析。

圖1 橋梁有限元模型示意

圖2 橋梁截面(單位：mm)

2 曲線半徑的變化對抗傾覆性影響

本文分別選取橋梁半徑為20 m,25 m及30 m 的圓曲線，研究橋梁的支座抗傾覆系數的變化規律。按《橋規》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：

針對特征狀態1(見圖3)，在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態；且必須滿足在永久作用和可變作用組合下：1.0RGki+1.4RQki>0。

按作用標準值進行組合時(按本規范第7.1.1條取用)，整體式截面簡支梁和連續梁的作用效應應符合下式要求：

(1)

∑Sbk,i=∑RGili

(2)

∑Ssk,i=∑RQili

(3)

式中，kqf為抗傾覆穩定性系數，取2.5；Sbk,i、Ssk,i分別為上部結構的穩定效應設計值和失穩效應設計值；li為第i個墩處雙支座的中心間距；RGi、RQi分別為永久作用和可變作用在第i個墩失效支座產生的反力。

利用Midas Civil及Civil Designer計算分析，曲線半徑R= 20 m時，計算結果如表1所示。通過計算結果分析得出支座2為內側支座中最不利的支座。受篇幅所限，在計算本曲線半徑R= 25 m及R=30 m時僅列出了支座2對應的抗傾覆計算結果，計算結果見表2及表3。

圖3 典型破環過程

表1 半徑20 m人行橋傾覆驗算

表2 半徑25 m人行橋傾覆驗算

續表2

表3 半徑30 m人行橋傾覆驗算

為進一步研究橋梁在曲線半徑21～24 m的范圍內傾覆穩定性情況，本文以1 m為步距進行研究，其分析結果見表4。

表4 半徑21～24 m人行橋傾覆驗算

因此，隨著曲線半徑在20～30 m之間增大，橋梁抗傾覆系數呈現逐步上升趨勢。但當曲線半徑小于23 m時，橋梁的抗傾覆穩定性不滿足規范要求。若無條件增大橋梁的曲線半徑時，必須采用其他措施用以保證橋梁的抗傾覆穩定性。

3 支座間距的改變對抗傾覆性影響

《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范應用指南》在解決橋梁抗傾覆問題上[5]，給出了改變支座間距的建議。因此以小半徑人行橋在半徑為23 m時，擬定支座間距分別為1.3、1.4、1.5 m來分析其不同支座間距下的抗傾覆性問題，計算結果如圖4。

圖4 支座間距對橋梁抗傾覆系數影響

經過對比分析，支座間距的改變對橋梁的抗傾覆性影響較大，在設計過程中應盡量增大支座間距。

4 設置固結墩對橋梁內力的影響

《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范應用指南》在提高橋梁的抗傾覆性的建議中指出，設置固結墩能更直接地解決橋梁傾覆問題[6]。設置固結墩后，橋梁的受力體系發生了轉換，所以梁的內力也發生了很大變化。擬定小半徑人行橋曲線半徑23 m，支座間距1.2 m，分別從“不設置固結墩”、“1個固結墩”、“2個固結墩”3種方案進行梁部內力對比。本文選取“第一跨跨中、第二跨跨中及第三跨跨中”和“2#、3#橋墩墩頂”為研究對象，截面的彎矩值My為內力參考值，計算結果見圖5及圖6。

圖5 固結墩對跨中內力的影響

圖6 固結墩對墩頂內力的影響

隨著固結墩的增加，梁部邊跨的彎矩有所改善，中跨的彎矩有少量增加；對于墩頂由于剛度的整體提升，墩頂負彎矩在整體上表現為增大；當設置2個固結墩時，2#、3#橋墩墩頂剛度再度趨于平衡，負彎矩較設置一個固結墩時有所改善，內力得到了重分配，故而設計者應著重考慮邊中跨及墩頂的配筋優化。

5 結論

(1) 隨著小半徑人行橋曲線半徑的增大，橋梁抗傾覆穩定系數呈現逐步上升趨勢。說明對于小半徑人行橋，曲線半徑的增大能夠較好的提高橋梁的抗傾覆穩定性。但當曲線半徑小于23 m時，橋梁的抗傾覆穩定性不滿足規范要求，須另行考慮，如調整橋梁的支座間距，加設固結墩等。

(2)采用增大支座間距和設置固結墩的方法均能改善橋梁的傾覆問題，抗傾覆穩定系數在支座間距1.2～1.5 m間都呈現上升趨勢，設計者可在設計過程中盡量增大支座間距。

(3)設置固結墩較好地改善了邊跨跨中內力，對于墩頂由于剛度的整體提升，墩頂負彎矩在整體上表現為增大，設計人員應著重考慮邊中跨及墩頂的配筋優化。