連續鋼箱梁橋抗傾覆性能影響因素研究

肖鵬程

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司城建設計院，湖北 武漢 430050)

近年來，連續鋼箱梁橋在城市橋梁建設中應用越來越廣泛。鋼箱梁具有抗扭剛度大、跨越能力強、力學性能優越、結構本身重量輕等特點。但也由于其自身結構輕，抗傾覆能力下降，導致橋梁失穩和傾覆事故頻繁發生。因此在橋梁運行期間，有必要針對連續鋼箱梁橋的橫向抗傾覆穩定性進行分析。目前，許多研究人員對此進行了研究。現有的研究主要集中在如何提高連續鋼箱梁橫向抗傾覆穩定性和提高橋梁結構抗傾覆性能的方法，而對影響參數的研究很少，存在有一定的局限性。因此結合有限元軟件對廣州市某高架橋橫向抗傾覆性能進行研究，考慮不同橫向荷載作用位置、支座間距以及橋墩布置形式等設計參數，對橋梁結構產生支座負反力以及橫向抗傾覆性能進行分析，并提出合理的橋梁抗傾覆加固措施與建議。

1 抗傾覆理論

1.1 抗傾覆穩定系數

當橋梁整體結構出現橫向傾覆失穩時，遠離不平衡荷載一側的支座已經脫空。橋梁的側向穩定系數可以取為恒定荷載下的傾覆力矩與偏心荷載作用下的傾覆力矩之比。目前，主要通過抗傾覆穩定性系數來評價橋梁的橫向抗傾覆穩定性，并且當抗傾覆穩定系數大于2.5時，可以認定結構的橫向抗傾覆穩定性良好，能夠抵抗偏載作用下產生的傾覆力矩。其計算公式如下

(1)

式中：為抗傾覆扭轉力矩；為傾覆扭轉力矩。

直線橋和曲線橋受力特點不同，其抗傾覆穩定性系數的計算方法也有所差別，對于直橋，橋的軸線是直的，傾覆軸是支座在橋臺同側的直線。在彎橋的情況下，傾覆軸是橋臺一側的軸承之間的線或兩個橋墩上的軸承之間的線，以更側向的為準。

(2)

(3)

1.2 橋梁抗傾覆破壞機理

針對橋梁結構的橫向傾覆失穩破壞過程，其抗傾覆破壞機理可歸納為兩種情況。

當由于偏心荷載導致的傾覆力矩小于結構的抗傾覆力矩時，此時支座尚未發現脫空現象，但其橫向支承受到很大的水平約束力，橋墩處于受壓和彎曲狀態。從一些以前發生過傾覆事故的橋梁結構來看橋梁墩柱底部截面發生壓縮和彎曲破壞，使墩柱沿主梁撓度的水平方向發生較大變形，導致上部結構下降。在設計時，如果對橋墩橫向剛度考慮不周，橋墩頂部就會在偏心荷載作用下受到較大的側向推力，從而導致橋墩損壞。

當由于偏心荷載導致的傾覆力矩大于結構的抗傾覆力矩時，此時離偏心荷載遠端的支座都會呈現脫空現象。隨著約束系統的減弱，結構的整體扭轉剛度將趨近失效，主梁的旋轉角度隨著載荷的增加而變大，在主梁繞軸線轉動下和彈性彎曲變形下的共同作用下發生失穩傾覆。此時，偏心荷載一側的橋墩仍處于彎曲狀態。無論墩柱出現整體彎曲還是局部混凝土破碎，都會使得壓縮支撐角超過極限，從而造成結構整體傾覆。

連續鋼箱梁橋橫向抗傾覆穩定性應當看成是整體結構的穩定性問題。因此不能單獨以支座脫空當作橫向穩定性的標準。要全面對比主梁傾覆力矩與抗傾覆的關系，確保墩柱在水平力作用下引起的偏心荷載的承載能力。

2 計算實例

2.1 工程概況

某在建高架橋主線全長360 m，共分三聯，跨徑組合為(3×40)+(3×40)+(3×40)m，橋寬17.5 m，雙向四車道。組合梁采用預制橋面板，橋面板間通過濕接縫聯系。為控制負彎矩區橋面板應力，通過支座預位移削減混凝土應力。橋面板采用C50混凝土，鋼梁采用Q355C鋼材。等高組合梁梁高1 800 mm，橋面板厚250～400 mm，鋼梁梁高1 360 mm，橋面板與鋼梁間為40 mm厚環氧砂漿。

2.2 有限元模擬

組合梁計算軟件為midas Civil 2019版本，建立箱梁空間梁單元模型，采用軟件中的施工聯合截面。鋼梁橫向采用工字鋼連接，橋面板的連接采用虛擬橫梁來連接。組合梁抗彎承載力的計算應考慮剪力滯效應的影響，計算箱梁在腹板兩側上、下翼緣的有效寬度。經簡單計算可得知，有效寬度可以按照全橋寬度計算。全橋共分792個單元，607個節點，支座采用彈性連接模擬。結構計算模型如圖1所示。

圖1 有限元模型圖

3 抗傾覆影響參數分析

通過改變荷載橫向作用位置、支座布置形式、橋墩布置形式等影響參數，結合有限元模型數據，對橋梁抗傾覆性能進行分析，找出重要的因素，為設計提供參考。

3.1 荷載橫向作用位置

偏載作用是橋梁出現失穩傾覆現象的直接原因，通常把主梁橫截面當作雙懸臂梁，當偏心荷載作用在懸臂端時，距離荷載遠端的支座勢必受到拉力的作用產生負反力。結合有限元模型數據分析，得到荷載橫向作用位置對抗傾覆性能的影響程度，可其計算表格如表1所示，荷載橫向作用位置與抗傾覆系數的關系見圖2所示。

表1 荷載橫向作用位置對抗傾覆性能的影響

從表1和圖2可看出，車輛荷載離主梁中心線越遠，遠離偏載一側的支座負反力越大，傾覆力矩也越大，抗傾覆性能下降。因此，建議在橋梁運營期間安裝道路標志，禁止車輛占用最外層的緊急停車區或緩沖區。

圖2 荷載橫向作用位置與抗傾覆穩定系數的關系

3.2 支座間距

支座間距也是造成橋梁傾覆的重要原因之一。在相同的主梁結構和偏心荷載作用下，支座間距的不同也會影響到鋼箱梁的抗傾覆性能。通常情況下，支座間距越寬，橋梁的抗傾覆力矩就越大，所以結構越穩定，其抗傾覆性能就越好。結合有限元模型，通過改變邊界條件來調整支座間距，分析支座反力變化情況，其結果表格如表2所示，支座間距與抗傾覆系數的關系見圖3所示。

表2 支座間距對抗傾覆性能的影響

由表2和圖3可知，增大支座間距后，支座負反力呈現減小趨勢，減小幅度也有所下降，而鋼箱梁抗傾覆穩定性能得到提高，因此在實際工程中，通過反復分析結構受力，盡可能的增大支座間距，可提高鋼箱梁抗傾覆穩定性能。

圖3 支座間距與抗傾覆穩定系數的關系

3.3 橋墩布置形式

在城市道路高架橋和匝道立交橋中，針對不同的道路條件，通常橋墩布置形式也有所不同，目前主要有單墩單支座、單墩雙支座以及雙墩雙支座三種類型橋墩，單墩單支座因其截面剛度相對較小，且僅有單個支座，對橋梁橫向穩定性十分不利。因此只分析單墩雙支座和雙墩雙支座對鋼箱梁抗傾覆性能的影響。在相同荷載條件下，對比橋梁抗傾覆性能，其結果表格如表3所示。

表3 橋墩布置形式對抗傾覆性能的影響

由表3可看出，在相同偏載作用條件下，單墩雙支座橋梁傾覆力矩明顯比雙墩雙支座大，抗傾覆力矩相對較小，因此在橋墩設計時，建議優先考慮雙墩雙支座橋墩，確保橋梁上部結構橫向抗傾覆穩定性。當橋下道路空間條件受到限制只能采用單墩單支座橋墩時，必須采取配重或其他抗傾覆措施，提高抗傾覆力矩，同時對其壓彎承載力進行計算。

4 結 論

為確保連續鋼箱梁運營時間安全穩定，從結構設計角度出發，通過改變荷載橫向作用位置、支座的布置形式以及橋墩布置形式等影響參數，結合數值模型分析研究引起連續鋼箱梁橫向傾覆的關鍵因素，得到以下結論。

(1)在設計時要充分考慮荷載橫向作用對橋梁傾覆的影響，降低因車輛荷載遠離主梁中心線造成橋梁的抗傾覆能力就下降的風險。同時也建議在橋梁運營期間安裝道路標志，禁止車輛長時間占用最外層的緊急停車區或緩沖區。

(2)通過增加支座間距能夠減小支座產生的負反力，提高主梁橫向抗傾覆能力，因此在路面條件允許時，盡可能的增大支座間距，可提高鋼箱梁抗傾覆穩定性能。

(3)雙墩雙支座形式橋墩有利于橋梁橫向抗傾覆，因此在橋墩設計時，建議優先考慮雙墩雙支座橋墩，確保橋梁上部結構橫向抗傾覆穩定性。當橋下道路空間條件受到限制只能采用單墩單支座橋墩時，必須采取配重或其他抗傾覆措施，提高抗傾覆力矩。