蔣伋雨，劉世忠，楊　陽，史軍勝，朱　肖

(蘭州交通大學 甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，甘肅 蘭州　730070)

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板式墩匝道橋抗傾覆研究與動靜載測試

蔣伋雨，劉世忠，楊陽，史軍勝，朱肖

(蘭州交通大學 甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，甘肅 蘭州730070)

目前匝道橋在城市立交中得到了廣泛的應用，然而匝道橋的抗傾覆性能則是其能否正常安全工作的前提。針對近年來常發(fā)生的匝道橋傾覆事故，按照《公路橋涵設計規(guī)范》中要求，結合有限元理論分析，利用大型有限元通用軟件Ansys驗算了某市杏濱路提升改造工程中A匝道橋的抗傾覆性能，并模擬城市橋梁常面對的超重超限車輛進行驗算，確定其在特種荷載作用下的安全性，并得出其傾覆臨界荷載。最后對其進行動靜載測試，研究其靜動力性能，并驗證了在規(guī)范荷載作用下的抗傾覆穩(wěn)定性。建議正式運營后需對橋梁進行長期監(jiān)測，定期排查，做到有問題及時解決，有危險及時排除。

；匝道橋；抗傾覆；承載能力；動靜載；靜動力性能

0　引言

近年來匝道橋傾覆事故多發(fā)，對社會造成了不良的影響。2012年哈爾濱市進入陽明灘大橋主橋的最后一段匝道被4輛重載貨車壓翻，4輛貨車沖下橋體[1]。分析認為匝道傾翻是由于車輛超載造成的。據(jù)專家組分析意見、檢測檢驗機構檢驗結論和調(diào)查組調(diào)查取證認定，事故直接原因是駕駛擅自改變機動車外形和技術數(shù)據(jù)的嚴重超載車輛，在121.96 m的長梁體范圍內(nèi)同時集中靠右側行駛，造成匝道鋼混連續(xù)疊合梁一側偏載嚴重，從而導致匝道傾覆。2015年粵贛高速城南互通CK0+224.5匝道橋梁發(fā)生斷裂，事故發(fā)生時有4輛滿載瓷土的重載貨車行駛在匝道橋上，橋梁瞬間傾覆，4輛重載貨車掉落，當場造成1人死亡、4人受傷。其構造如圖1所示，汽車偏載所產(chǎn)生的扭矩通過中間孔的作用使一側的橋體側翻造成事故。

圖1　粵贛高速城南互通匝道構造簡圖

匝道橋廣泛應用于立交、高架及高速公路進出口中，為避免此類事故的再次發(fā)生同時也為現(xiàn)有匝道橋排除隱患提供參考，對于匝道橋的抗傾覆性能研究有著重要的意義。本文以某市杏濱路提升改造工程中A匝道橋為研究對象，對其抗傾覆性能進行了研究。并通過靜動載試驗驗證其規(guī)范荷載作用下靜動力性能。

1　工程概況

A匝道橋跨徑組合為3×30 m，橋梁全長93 m。上部結構采用預應力砼連續(xù)箱梁，橋面全寬8.5 m，如圖2、圖3所示。

箱梁采用單箱單室斷面，懸臂長2.2 m，頂?shù)装搴?.25 m，腹板厚0.45 m，在橫梁附近漸變?yōu)?.6 m。端橫梁厚1.5 m，中橫梁厚1.8 m，混凝土箱梁底板設置泄水孔，腹板上設置通風孔。全橋平面位于R=150 m的圓曲線和直線上，縱斷面位于R=3 290 m的豎曲線上，縱坡為4.64%和2.73%。本橋為單幅橋，橋面布置如下：0.5 m(防護撞欄)+7.5 m(行車道)+0.5 m(防護撞欄)=8.5 m。

圖2　A匝道箱梁標準斷面圖(單位；m)

圖3　A匝道橋平面及箱梁橫斷面布置示意

2　有限元模型及傾覆荷載的模擬

2.1有限元模型建立

本文以大型有限元通用軟件ANSYS建立該匝道橋結構模型，并采用通用的空間有限元分析軟件MIDAS/Civil輔助建立模型。如圖4。根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》JTG D60-2015和《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》中的規(guī)定應以禁止支座脫空為原則進行傾覆穩(wěn)定性分析。因此，在模型中支座反力是不允許出現(xiàn)負值的，出現(xiàn)負值就代表該支座出現(xiàn)了脫空的情形。

圖4　模型標準視圖

2.2傾覆荷載模擬

該匝道橋車道寬度為7.5 m，結合有限元分析及公路15規(guī)范，設立工況1：《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)公路-Ⅰ級荷載(約35 t重車)外側單車道偏載。

由于近年來發(fā)生的匝道橋事故中超載車輛大多超載3～4倍[1]，故設立工況2與工況3，分別如下：工況2：3倍公路-Ⅰ級荷載(約110 t重車)外側單車道偏載；工況3：4倍公路-Ⅰ級荷載(約140 t重車)外側單車道偏載。

由于考慮到重車多以小型車隊的形式出現(xiàn)，故再次增加工況4與工況5，分別為：工況4：以間隔10 m左右密集布置公路-Ⅰ級荷載(約35 t重車)重車；工況5：以間隔10 m左右密集布置3倍公路-Ⅰ級荷載(約110 t重車)重車。

據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)中對公路-Ⅰ級荷載的描述，該汽車荷載由均布荷載qk和集中荷載Pk構成。由規(guī)范中規(guī)定和橋梁跨徑可知qk=10.5 kN/m，Pk=320 kN，如圖5所示。由Midas軟件計算結果模擬得出用軸重35 t的重車可代替公路-Ⅰ級荷載作用獲得等值最大彎矩或最大剪力。

圖5　公路15規(guī)范公路-Ⅰ級荷載圖示

3　有限元計算分析

一般而言，橋梁結構發(fā)生橫向側翻時總是存在一個翻轉軸，隨著偏載不斷增大，對結構產(chǎn)生的往一個方向翻轉的力矩也在增大，當達到并超過橋梁自身重量所能提供的抵抗翻轉力矩，整體結構會發(fā)生翻轉并傾覆。對于具有雙支座橋墩的橋梁，同側支座的連線就是一個翻轉軸，當偏轉軸外側的偏載過大，超過主梁的抵抗力矩后，橋梁整體將繞翻轉軸向偏載側翻轉。對于連續(xù)梁橋而言，橫向的傾覆問題其實并不復雜，可以通過力學和幾何方法進行分析。在分析橋梁橫向抗傾覆能力時作出以下假定：

1) 橋梁設計強度滿足要求，不會在正常偏載情況下發(fā)生強度破壞；

2) 將結構視為理想受力構件，不考慮變形對受力的影響；

3) 不考慮橋墩失效引起的破壞。

連續(xù)梁橋出現(xiàn)傾覆破壞時，可以認為是整體的側向翻轉。在傾覆的臨界狀態(tài)，遠離偏載側支座已呈現(xiàn)脫空的狀態(tài)。采取前文中各工況對匝道橋進行抗傾覆試壓，得出各工況作用下支座反力。需要補充的是該匝道橋位于城鄉(xiāng)結合部，考慮到重車多在夜晚以小型車隊的形式出現(xiàn)，與該匝道橋相連的拼寬橋又為單車道，故將荷載作用邊線定在距邊緣0.2 m處。

根據(jù)規(guī)范要求，支座不允許出現(xiàn)脫空的情況，由圖6中各工況下支座反力對比模型可以看出在工況1、2作用下橋梁墩臺均無負反力出現(xiàn)。工況3首先出現(xiàn)負反力即3號墩出現(xiàn)支座脫空，存在傾覆的危險性。工況4無負反力，工況5的1號墩3號墩均出現(xiàn)負反力，危險性較大。則對應工況3、5，實際橋梁中應嚴禁載重超110 t重車上橋，重車上橋應嚴格控制車距不能密集行駛，車距保持10 m以上。注意行車時不要緊貼外側邊緣行駛。

圖6　各工況作用下支座反力圖

4　靜動載試驗分析

目前，國內(nèi)外對各種橋梁進行實橋的靜、動載試驗的必要性認識是一致的，靜動載試驗是評價一座橋梁在使用期間工作性能可靠性的唯一手段，通過全橋靜動載試驗可以達到充分了解其性能，掌握橋梁的靜動力性能。

此處通過動靜載確定該匝道橋在規(guī)范設計荷載作用下的反應，對應前文中工況1，從而印證出規(guī)范荷載下的穩(wěn)定性。該橋靜載試驗內(nèi)容包括；①第1跨跨中最大正彎矩應變及撓度測試。 ②第2跨跨中最大正彎矩應變及撓度測試。 ③1號墩支點處最大負彎矩應變測試。動載試驗內(nèi)容包括；①脈動測試；②跑車試驗；③剎車試驗。

由圖7、圖8數(shù)據(jù)可知，工況1～3作用下，主測截面撓度校驗系數(shù)均在《評定規(guī)程》給出的預應力混凝土橋撓度校驗系數(shù)常值范圍(0.60～1.00)內(nèi)，表明主梁具有良好的剛度。各測試截面應力校驗系數(shù)均在《評定規(guī)程》給出的預應力混凝土應力校驗系數(shù)常值(0.50～0.90)范圍內(nèi)。由于該匝道橋為新建橋梁其卸載殘余在儀器讀數(shù)精度范圍內(nèi)，可認為其處于完全彈性狀態(tài)。工況1檢測結果表明，該工況作用下主梁工作應力狀態(tài)滿足要求，且有一定的安全儲備，主梁彈性狀態(tài)滿足要求。理論計算主梁豎向基頻3.38 Hz，實測豎向基頻3.84 Hz。理論計算該聯(lián)主梁豎向二階頻率4.26 Hz，實測值4.89 Hz。實測前兩階豎向頻率與理論頻率的比值介于1.137～1.147。依據(jù)《公路橋梁承載能力評定標準》，可評定主梁具有良好的豎向剛度。

圖7　各工況下?lián)隙冉Y果匯總圖

圖8　各工況下應力結果匯總表

5　結論

匝道橋屬于事故多發(fā)型結構，且傾覆破壞又屬

于瞬時破壞[2]，一旦發(fā)生，破壞性大，社會影響惡劣。通過對A匝道橋進行有限元模擬分析及動靜載試驗可得出以下結論：

1) 橋梁在規(guī)范正常荷載作用下表現(xiàn)良好，在3倍公路-Ⅰ級荷載作用下能保持一定安全度，滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求。當出現(xiàn)嚴重超載超重車輛(大于3倍公路-Ⅰ級荷載)時，橋梁存在傾覆危險，不滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求。

2) 通過對新建A匝道橋進行靜、動載試驗結果表明：A匝道橋的各項靜動力性能滿足規(guī)范和設計要求，在規(guī)范荷載作用下抗傾覆穩(wěn)定性良好。

隨著近年經(jīng)濟的騰飛，交通量逐年遞增，其中必然會出現(xiàn)大量超重超載車輛，且該匝道橋地處城鄉(xiāng)結合部，運渣車較多，這一點尤其突出。因此應該結合交警部門相關資料，做好當?shù)爻剀囕v調(diào)查，協(xié)調(diào)好橋梁運營方加強監(jiān)管從源頭避免事故發(fā)生。

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2016-03-31

國家自然科學基金項目(51368032)

蔣伋雨(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為橋梁結構數(shù)值分析與檢測評估。

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