林 峰，陳娟婷

（東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，南京 210096）

近年來(lái)，我國(guó)修建了大量城市立交。為了滿(mǎn)足路線(xiàn)設(shè)計(jì)要求并充分利用空間，小半徑連續(xù)彎箱梁橋被廣泛應(yīng)用于互通匝道橋中，但彎箱梁橋傾覆卻屢見(jiàn)不鮮。2009年7月15日，津晉高速公路天津塘沽收費(fèi)站東側(cè)800 m處匝道橋發(fā)生坍塌事故；2011年2月21日浙江上虞市春暉互通匝道發(fā)生側(cè)傾事故；2015年，廣東粵贛高速公路河源段匝道橋在超重車(chē)作用下發(fā)生傾覆事故[1]。因此，對(duì)彎箱梁橋的傾覆原因進(jìn)行分析顯得尤為重要。

1 彎箱梁橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

由于曲率的存在，彎箱梁橋的受力情況與直線(xiàn)橋梁不同，主要有以下特征[2]：

（1）由于主梁的“彎扭”耦合效應(yīng)，會(huì)出現(xiàn)內(nèi)外側(cè)梁受力不均的情況。

（2）當(dāng)橫梁處設(shè)置抗扭支座的時(shí)候，由于扭矩的存在，一般外側(cè)支座反力大于內(nèi)側(cè)支座，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)內(nèi)側(cè)支座脫空現(xiàn)象，造成箱梁傾覆。

（3）由于彎扭作用，主梁外側(cè)豎向撓度大于內(nèi)側(cè)，在溫度等作用下，易出現(xiàn)向曲線(xiàn)外側(cè)“爬移”的現(xiàn)象。

針對(duì)近年來(lái)出現(xiàn)的彎橋傾覆事件，《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2016）中規(guī)定了彎橋抗傾覆安全系數(shù)的計(jì)算方式如下[3-4]：

但是，在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，常用的還是通過(guò)計(jì)算調(diào)整，防止支座出現(xiàn)負(fù)反力（拉力）的辦法來(lái)滿(mǎn)足彎橋的抗傾覆要求。

2 支座反力影響因素分析

2.1 工程概況

某連續(xù)箱梁采用C50混凝土，跨徑布置為3×28 m，梁高1.8 m，箱梁寬度10.1 m，箱梁中心線(xiàn)平曲線(xiàn)半徑R=80 m，中橫梁厚2 m，端橫梁厚1.5 m，橫梁支座均采用雙支座，并向曲線(xiàn)外側(cè)設(shè)置30 cm偏心，支座位置處斷面如圖1所示，箱梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束布置如圖2所示。

圖1 箱梁斷面圖（單位：cm）

2.2 有限元模型的建立

使用有限元軟件Midas Civil建立空間梁?jiǎn)卧Ｐ?，縱向定義為X方向，橫向定義為Y方向，豎向定義為Z方向，如圖3所示。

圖2 箱梁預(yù)應(yīng)力鋼束布置圖（單位：cm）

圖3 箱梁有限元模型

結(jié)構(gòu)所承受的荷載分為以下幾類(lèi)：

（1）恒荷載：箱梁自重+橋面鋪裝+護(hù)欄+收縮徐變；

（2）鋼束預(yù)應(yīng)力荷載：波紋管摩擦系數(shù)μ=0.25（金屬），管道偏差系數(shù)k=0.001 5；鋼束張拉回縮量：?jiǎn)味藦埨? mm，兩端張拉取12 mm；

（3）活載：按照規(guī)范取2車(chē)道偏曲線(xiàn)外側(cè)加載；

（4）整體溫度變化：整體升溫25 ℃，整體降溫25 ℃；

（5）梯度溫度效應(yīng)：升溫 T1=14 ℃，T2=5.5 ℃；降溫 T1=-7 ℃，T2=-2.75 ℃；

（6）支座沉降：每個(gè)支座最大沉降值取8 mm。

表1為各項(xiàng)荷載產(chǎn)生的支座反力（壓力為正，拉力為負(fù)），其中可變荷載效應(yīng)取支座產(chǎn)生的最大拉力。

由表1可知，0～3#支座壓力儲(chǔ)備較小的地方均在內(nèi)側(cè)支座，最不利的支座位置為2#內(nèi)支座，壓力儲(chǔ)備僅有184.6 kN。

將表1數(shù)值進(jìn)行處理，可以得到各項(xiàng)荷載產(chǎn)生的支座反力占總反力的比重i%，i=100×Sdi/∑|Sdi|，其中，Sdi為各項(xiàng)荷載產(chǎn)生的支座反力，以支座受壓為正，受拉為負(fù)，結(jié)果如圖4所示。

表1 各項(xiàng)荷載產(chǎn)生的支座反力 kN

圖4 各項(xiàng)荷載產(chǎn)生的支座反力占比

由圖4可知，恒載產(chǎn)生的支座反力占總反力的比值是最大的，且使支座產(chǎn)生壓力；預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的支座反力占總反力的比值僅次于恒載，且在1#和2#內(nèi)支座產(chǎn)生了較大拉力，這是導(dǎo)致中橫梁處內(nèi)支座壓力富余度較小的主要原因；活載主要導(dǎo)致0#和3#內(nèi)支座產(chǎn)生了較大的拉力，這是導(dǎo)致端橫梁處內(nèi)支座壓力富余度較小的主要原因。

預(yù)應(yīng)力鋼束的配束分為頂板束、腹板束和底板束，設(shè)計(jì)中通過(guò)調(diào)整這3種鋼束的線(xiàn)型以及數(shù)量，使得結(jié)構(gòu)受力滿(mǎn)足規(guī)范要求。表2為分別張拉3種鋼束引起的各支座反力，表3為分別張拉3種鋼束引起的支座反力占預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的總支座反力的比重。

表2 各預(yù)應(yīng)力鋼束產(chǎn)生的支座反力 kN

由表2～3可知，底板束和腹板束是產(chǎn)生支座反力的主要因素，且兩者影響差不多，相比之下頂板束的影響則小很多。腹板束和底板束導(dǎo)致1#和2#內(nèi)支座出現(xiàn)拉力，這主要是因?yàn)閺埨撌箢A(yù)應(yīng)力次效應(yīng)的存在，端橫梁支座總體受壓，中橫梁支座總體受拉，且端橫梁支座反力對(duì)中橫梁處梁體產(chǎn)生向箱梁外側(cè)傾覆的扭矩，增大了中橫梁兩支座之間支座反力的差值。

表3 各預(yù)應(yīng)力鋼束產(chǎn)生的支座反力占比 i %

本模型中底板束共計(jì)5.2 t，頂板束共計(jì)0.98 t，腹板束共計(jì)17.3 t，底板束用量約為腹板束的1/3，但是在中橫梁內(nèi)支座產(chǎn)生的拉力卻比腹板束還要大，因此，在對(duì)彎箱梁橋進(jìn)行配束時(shí)應(yīng)盡量減少底板束的用量，以避免中橫梁內(nèi)支座出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。

2.3 平曲線(xiàn)半徑對(duì)彎箱梁支座反力的影響

彎箱梁橋中心線(xiàn)的平曲線(xiàn)半徑是影響其支座反力分配的重要因素[5]，本節(jié)改變箱梁中心線(xiàn)的平曲線(xiàn)半徑，另增R=50 m，R=110 m，R=140 m 3種工況，以0#內(nèi)支座和1#內(nèi)支座為研究對(duì)象，探討平曲線(xiàn)半徑對(duì)支座反力的影響，結(jié)果如圖5～8所示。

圖5 不同平曲線(xiàn)半徑下各支座總反力

圖6 0#內(nèi)支座各項(xiàng)荷載產(chǎn)生的支座反力占比

圖7 1#內(nèi)支座各項(xiàng)荷載產(chǎn)生的支座反力占比

圖8 不同平曲線(xiàn)半徑下3種鋼束的支座反力占比

圖5為改變箱梁中心線(xiàn)平曲線(xiàn)半徑時(shí)，各支座總反力的數(shù)值；圖6、圖7分別為箱梁中心線(xiàn)平曲線(xiàn)半徑變化時(shí)，0#和1#內(nèi)支座處各項(xiàng)荷載產(chǎn)生的支座反力占總反力的比重；圖8為平曲線(xiàn)半徑變化時(shí)，3種鋼束引起的支座反力占預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的總支座反力的比重。

由圖5可知，隨著平曲線(xiàn)半徑的增大，箱梁扭矩逐漸減小，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出外支座壓力逐漸減小，內(nèi)支座壓力不斷增大的趨勢(shì)，內(nèi)外支座差值越來(lái)越小，兩者受力趨于平均。

由圖6～7可知，隨著平曲線(xiàn)半徑的增大，恒載產(chǎn)生的支座反力占總反力的比重越來(lái)越大，預(yù)應(yīng)力、整體溫度、梯度溫度、支座沉降所產(chǎn)生的支座拉力的比例越來(lái)越小，對(duì)于0#內(nèi)支座，預(yù)應(yīng)力甚至導(dǎo)致支座反力產(chǎn)生了壓力。但是活載所占比重對(duì)于1#內(nèi)支座反而是增加的，對(duì)于0#內(nèi)支座依然是減小的。

由圖8可知，隨著曲率半徑的增加，頂板束、腹板束、底板束引起的支座反力占鋼束預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的總反力的比值基本維持不變。

3 結(jié)論

根據(jù)以上分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）由于彎箱梁橋存在“彎扭”耦合效應(yīng)，預(yù)應(yīng)力效應(yīng)使得中橫梁內(nèi)支座產(chǎn)生拉力，活載使得端橫梁內(nèi)支座產(chǎn)生拉力，此兩者是導(dǎo)致彎箱梁橋內(nèi)側(cè)支座脫空的主要原因。

（2）腹板束和底板束是預(yù)應(yīng)力鋼束中產(chǎn)生支座反力的主要因素。張拉后預(yù)應(yīng)力次效應(yīng)產(chǎn)生了支座反力，支座反力產(chǎn)生的扭矩使箱梁有整體向外傾覆趨勢(shì)，增加了內(nèi)外側(cè)支座反力的差值。

（3）隨著曲率半徑的增大，彎箱梁橋內(nèi)外支座反力的差值越來(lái)越小，恒載所占比例越來(lái)越大，除活載外的可變荷載所占比例越來(lái)越小，同時(shí)頂板束、腹板束、底板束引起的支座反力占預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的總反力的比值基本維持不變。

（4）彎箱梁橋中底板束雖然用量不多，但是對(duì)箱梁支座反力有著較大的影響，因此在設(shè)計(jì)中建議增加腹板束和頂板束的配置，減少底板束的配置。

參考文獻(xiàn)

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[3]姚玉強(qiáng)，張磊，張楊.中小跨徑連續(xù)梁橋箱梁抗傾覆計(jì)算研究[J].西南公路，2013（1）：64-67.

[4]王文龍.混凝土箱梁橋抗傾覆性能與增強(qiáng)措施研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2015.

[5]胡豐玲.連續(xù)彎箱梁橋預(yù)應(yīng)力鋼束張拉次序研究[D].南京：東南大學(xué)，2004.