許佳林

(廣東省公路勘察規(guī)劃設計院股份有限公司)

近年來，國內(nèi)已經(jīng)發(fā)生多起獨柱墩支撐橋梁在汽車荷載作用下的傾覆事故，誠然，汽車超載是發(fā)生事故的主要原因之一，但也提醒我們設計人員反思，我們在設計中的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)儲備是否足夠?設計時應重點把握哪些方面?

1 抗傾覆設計主要參數(shù)及設計主要控制目標

對抗傾覆設計的主要影響參數(shù)，筆者歸納為以下幾項:圓心角(跨長與半徑的比值，對于跨徑相同橋梁僅考慮轉(zhuǎn)彎半徑)、橋?qū)挕⒙?lián)長、支座間距及支撐的布置形式。除此之外，施工順序、預應力度等因素對抗傾覆穩(wěn)定性亦有影響，但相對較小，暫不予以考慮。本文將結(jié)合工程實例，對一定橋?qū)挼臉蛄?，通過對某個參數(shù)變化產(chǎn)生的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)進行比較，得出各參數(shù)的影響情況。

抗傾覆設計的主要目標，首先是保證橋梁不傾覆，其次是保證支座不脫空(即不出現(xiàn)支座負反力)。

2 結(jié)構(gòu)驗算標準及結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)

現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG D62-2004)中未對箱梁上部結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性驗算進行規(guī)定，本次驗算參考《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(征求意見稿)第4.1.9條。

《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(征求意見稿)第4.1.9條規(guī)定:采用整體式斷面的中小跨徑梁橋應進行上部結(jié)構(gòu)抗傾覆驗算。上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)應滿足下式要求

式中:γqf為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù);Ssk為使上部結(jié)構(gòu)傾覆的汽車荷載(含沖擊作用)標準值效應;Sbk為使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用效應標準組合。

同時，鑒于彎橋結(jié)構(gòu)在實際使用過程中較常出現(xiàn)支座脫空的情況，本次驗算亦將其作為一項指標進行觀察。

進行驗算的結(jié)構(gòu)基本情況如下:橋梁跨徑為20 m，橋?qū)挒?.5 m，采用10 cm混凝土鋪裝，聯(lián)長為60～100 m(即三跨一聯(lián)至五跨一聯(lián))，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。端橫梁處采用雙支撐，中橫梁處采用單支撐(不設偏心)。箱梁的斷面形式見圖1。

圖1 箱梁斷面示意圖

3 計算模型的建立及計算圖式

計算模型:采用midas civil 2010建立全聯(lián)箱梁計算模型，單元長度為2 m，典型計算模型消隱圖如圖2所示。

圖2 計算模型消隱圖

本聯(lián)箱梁位于曲線上，按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(征求意見稿)第4.1.9條規(guī)定，本聯(lián)箱梁傾覆軸線如圖3所示。

圖3 原結(jié)構(gòu)傾覆示意圖

根據(jù)以上計算圖式，算出成橋狀態(tài)下各支座反力，乘以支座到傾覆軸線的垂直距離并相加，即得到抵抗力矩。傾覆力矩則利用汽車荷載加載線與傾覆軸線的面積計算而得。

4 相同跨徑組合下不同轉(zhuǎn)彎半徑橋梁的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)及支座反力比較

首先計算3×20 m的連續(xù)箱梁，在圓曲線半徑分別為60 m，120 m，200 m的情況下抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的大小。其中，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的計算公式為

式中:RGi表示成橋狀態(tài)下支座反力;xi表示支座到傾覆軸線的距離;μ表示沖擊系數(shù);Ω表示最外側(cè)車道荷載布置線與傾覆軸線圍成的面積;e表示最外側(cè)車道荷載布置線至傾覆軸線的最大距離。

表1 相同跨徑組合下不同轉(zhuǎn)彎半徑橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)比較

由表1可見，在其他參數(shù)相同的情況下，最小支座反力隨轉(zhuǎn)彎半徑的增大而增大，當轉(zhuǎn)彎半徑較小的時候支座容易脫空;而抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，隨著轉(zhuǎn)彎半徑的增大，先減小后增大。大約在轉(zhuǎn)彎半徑200 m左右的時候，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)最小，隨后抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨著轉(zhuǎn)彎半徑增大而逐漸增加。造成這種狀況的原因是抗傾覆軸內(nèi)側(cè)支座到傾覆軸的距離大小變化造成的。

5 轉(zhuǎn)彎半徑相同情況下不同聯(lián)長的橋梁的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)及支座反力比較

下面再計算曲線半徑為200 m的橋梁，聯(lián)長分別為60 m，80 m，100 m的情況下，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的情況。計算方法同上。

表2 相同轉(zhuǎn)彎半徑下不同聯(lián)長的橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)及支座反力比較

由表2可見，在其他參數(shù)相同的情況下，聯(lián)長越長，支座反力越小，支座越容易脫空;而抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，則隨著聯(lián)長的增大而逐漸增大。造成這種狀況的原因是聯(lián)長越長，單聯(lián)的荷載越大，因僅有端橫梁處才有雙支座調(diào)節(jié)扭矩，故出現(xiàn)支座負反力(脫空)趨勢越來越厲害;但聯(lián)長越長，支座的個數(shù)也隨之增加，抵抗傾覆的總力矩也隨之增大，故抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)提高。

6 支撐布置形式對抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)影響及支座反力的影響

這里，我們?nèi)∞D(zhuǎn)彎半徑200 m的3×20 m連續(xù)箱梁，采用兩種支座布置方式，第一種是中橫梁處仍然為單支座，僅把端橫梁處支座間距拉大至5 m;第二種是中橫梁處也采用雙支座，間距3.5 m的布置方式。計算以上兩種方式的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)及支座反力。

表3 支撐布置形式對抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)及支座反力比較

由上表可見，兩種方式均能達到增大抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，防止支座脫空的作用。而第二種方式對于抗傾覆穩(wěn)定效果更加明顯。

7 小結(jié)

支座脫空與箱梁傾覆有一定的關聯(lián)但兩者并不等同，箱梁傾覆必然始于支座的脫空但脫空后并不一定導致傾覆。通過以上分析，可以發(fā)現(xiàn)，小半徑(R=60 m)連梁，支座負反力問題最為明顯，但是往往具有相對較大的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。而半徑R=200 m左右的連梁，往往具有較大的傾覆危險性。因此在實際設計中應予以重視。

一般在設計中，往往會通過控制聯(lián)長，來避免支座負反力的出現(xiàn)。但是通過計算發(fā)現(xiàn)，聯(lián)長的增加，對于結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定相當于增加了額外的保險。因此在保證支座不出現(xiàn)負反力的前提下，可以考慮增加箱梁的聯(lián)長。

拉大端橫梁的支座間距，或者是在中橫梁位置設置雙支座，均可以有效地增加抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。具體采用何種方式需視實際情況而定。例如匝道內(nèi)采用板墩的情況，則建議采用在中橫梁處設置雙支座的方式;而如果匝道內(nèi)采用柱式墩，從經(jīng)濟性角度，建議可以采用拉大端橫梁支座間距方式處理。但無論采用哪種情況均需經(jīng)過計算方可實施。

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［1］項海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［2］公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范(征求意見稿).