某彎橋抗傾覆穩定性計算分析

趙天野

(遼寧省交通運輸事業發展中心 沈陽市 110005)

0 引言

城市立交橋匝道橋形式多采用彎橋，橋梁下部結構經常采用獨柱墩形式，既美觀，又可節約橋梁下部結構占地空間，但由于獨柱墩采用單支座形式，橫向提供的支撐面積較小，橋梁在汽車偏載作用下，一側受壓支座可能失效，從而導致發生側翻事故，如近期發生的江蘇省無錫市國道橋梁側翻事故。因此在彎橋設計過程中，需進行抗傾覆驗算，同時考慮如何增加抗傾覆能力。以一座連續梁獨柱墩彎橋為例，分析該橋在汽車偏載作用下的傾覆情況，同時分析設置預偏心對橋梁內力的影響，通過計算分析對如何提高彎橋的橫向抗傾覆穩定能力提出一個基本思路。

1 驗算原則

橋梁發生側翻時的具體過程為，單項受壓支座脫離正常受壓狀態，上部結構的支撐體系不再提供有效約束，上部結構扭轉變形趨于發散、橫向失穩垮塌，支座、下部結構連帶損壞。整個側翻傾覆的過程存在兩個明確的特征狀態，特征狀態1指單向受壓支座開始出現脫離受壓狀態，特征狀態2指箱梁的抗扭支座全部失效；對于特征狀態2的情況下，采用“穩定作用效應/失效作用效應≥穩定性系數”進行橫向傾覆驗算，依據橋涵設計規范，橫向抗傾覆穩定性系數取值2.5，具體表達式如下[1]：

穩定作用效應 ΣSbk，i=ΣRGKili

(1)

失穩作用效應 ΣSsk，i=ΣRQKili

(2)

式中：RGKi為結構重力、預加力、混凝土收縮、徐變作用等永久荷載作用下失效支座的支反力；RQKi為汽車荷載、汽車沖擊力等可變荷載作用下，最不利布置形式下失效支座的支反力；li為失效支座與有效支座的中心距離。

依據上述公式，彎橋橫向傾覆驗算通過表達式為：

ΣSbk，i/ΣSsk，i=ΣRGKili/ΣRQKili≥2.5

(3)

2 工程概況

上部結構選用跨徑布置為4×25m的4跨一聯混凝土連續箱梁彎橋，基本走向為由直線漸變至曲線，曲線半徑為120m，單箱2室，C50混凝土澆注。箱梁頂寬9m，箱梁底寬6.58m，兩側懸臂翼緣板寬0.826m，翼緣板根部厚度為0.33m，梁高1.48m。腹板采用斜腹板形式，箱梁頂板厚度采用25cm，底板厚度采用42cm，如圖1所示。

3 有限元模型建立

采用Midas Civil進行全橋有限元建模，兩側橋臺及50m跨中墩柱設置雙支座，其余墩柱設置單支座，考慮混凝土收縮、徐變作用，彎橋有限元模型如圖2所示。

圖2 彎橋有限元模型

3.1 數據分析

彎橋側翻事故往往是在汽車偏載作用下發生的，本小節主要研究在汽車偏載作用下單向受壓支座的受力狀態，車道設置外側汽車偏載，為便于分析，將支座按照從左至右、內側至外側的順序依次編號，通過Midas Civil軟件得出永久荷載作用下失效支座的支反力，同時在汽車偏載作用下分別得出內側支座處于最不利狀態時，其他支座對應的支反力，具體數值如表1所示。

表1 荷載組合作用下彎橋各支座支反力數值

通過表1可以看出，1號墩、3號墩、5號墩的內側支座在永久荷載和汽車偏載聯合作用下均處于受壓狀態，特征狀態1驗算通過，橫向抗傾覆穩定性系數計算值均大于規范要求值2.5，特征狀態2驗算通過。因此該橋在汽車偏載作用下橫向傾覆驗算通過，橋梁處于安全運行狀態。

3.2 設置預偏心數據分析

設置預偏心可使彎橋的受力和配筋更加合理[2]，即支座的中心沿著曲線半徑的方向往彎橋外側偏移一定的距離。本小節主要對比設置預偏心和未設置預偏心兩種情況下彎橋的橫向傾覆穩定性情況，設置2號墩、4號墩支座預偏心為50cm，如圖3所示。

圖3 彎橋有限元模型(預偏心50cm)

通過Midas Civil軟件分析，彎橋在永久荷載和汽車偏載作用下各支座支反力數值如表2所示。

通過對比表1和表2，可以看出通過設置預偏心，可改變永久荷載作用下雙支座的支反力分布，未設置預偏心時支座兩側在永久荷載作用下支反力基本相等，而設置預偏心后，內側支座支反力增大，分析原因是預偏心的設置，使彎橋的整體重心向曲線內側偏移，從而導致內側支座壓力增大，進而設置預偏心可有效地平衡汽車偏載對彎橋橫向傾覆的不利作用。

表2 荷載組合作用下彎橋各支座支反力數值(預偏心50cm)

通過圖4可以看出，設置預偏心后，抗傾覆穩定性系數都有了較大幅度的提高，最大提高幅度由4.59提升至5.41，提升達到17.9%。

圖4 設置預偏心前后抗傾覆穩定性系數對比

在永久荷載與汽車偏載聯合作用下，以1號墩為例，設置預偏心前后梁端扭矩數值如表3所示。

表3 設置預偏心前后梁段扭矩數值

通過Midas Civil軟件計算分析，設置預偏心后使梁端扭矩降低了32.2%，分析原因是對獨柱墩彎橋而言，橋梁兩端支座可提供較強的抗扭約束，中間墩則沒有提供抗扭約束，而預偏心的設置則充分利用了支點反力產生的反扭矩，平衡了一部分由汽車偏載作用產生的扭矩，進而有效地降低了梁端的內扭矩，有利于增加彎橋的抗傾覆穩定性，因此設置預偏心可使梁內扭矩重新分布，可以作為提高彎橋抗傾覆能力的一種方法。

4 結論

(1)通過模擬彎橋在偏載作用下的使用狀態，計算得出未設置預偏心工況下抗傾覆穩定系數分別為5.38、4.59、5.39，均大于規范要求的2.5，橫向抗傾覆穩定性驗算通過。

(2)在設置預偏心工況下，抗傾覆穩定性系數有了大幅度的提高，最大提高幅度由4.59提升至5.41，提升達到17.9%，同時也有效地降低了梁端扭矩，以1號墩為例，梁端扭矩由3807kN·m降至2580kN·m，設置預偏心可提升橋梁橫向抗傾覆穩定性。

(3)城市交通繁雜，通行車輛多樣，彎橋作為城市匝道橋中的常用橋型，進行橫向抗傾覆穩定性驗算十分必要。橋梁設計過程中往往考慮各作用效應組合在正常使用極限狀態和承載能力極限狀態下的計算分析，本文也僅提出了彎橋在標準荷載偏載作用下的傾覆穩定性驗算過程，對特殊車輛偏載、超載或者其他可能的車輛組合作用下的情況并未進行建模分析，以后需進一步研究。

(4)獨柱墩雖有節約占地空間的優勢，但不可預見的超載也帶來了安全隱患，為避免側翻事故的再次發生，在橋梁設計過程中建議對寬度較大的彎橋應考慮橫向設置多個支座支撐、增設蓋梁以及選擇合適的支座種類等措施，以增加橋梁的橫向抗傾覆穩定性，同時各地路政管理部門應充分發揮工作職能，加強行業監管力度，并增設標志、標牌等交通警示附屬設施，避免超限超載等特殊車輛駛入匝道橋，從而降低安全隱患。