李 峰，張文遠(yuǎn)

(1. 中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710075； 2. 中交瑞通路橋養(yǎng)護(hù)科技有限公司，西安 710000)

橋梁結(jié)構(gòu)傾覆是極端偏載下，梁體轉(zhuǎn)動(dòng)引起支承體系強(qiáng)度破壞導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失效，傾覆過程中幾何非線性效應(yīng)明顯，不可忽略[1]。橋梁傾覆始于支座脫空，但支座脫空并不一定發(fā)生傾覆。傾覆過程中，支座豎向反力重分布導(dǎo)致支座端部蓋梁破壞，水平推力導(dǎo)致支座、橋墩剪壞，穩(wěn)定問題誘發(fā)結(jié)構(gòu)傾覆，強(qiáng)度問題導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。近年來，我國發(fā)生了多起高架橋傾覆事故。2007年10月25日，包頭市民族東路高架箱梁側(cè)翻；2010年11月26日，南京城市快速路內(nèi)環(huán)西線南延工程簡支箱梁側(cè)翻；2015年6月19日，廣東河源市城南互通立交匝道橋垮塌。以上事故均造成了不同程度的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失，故應(yīng)加強(qiáng)對既有橋梁結(jié)構(gòu)的安全評估，保證橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)年限內(nèi)安全運(yùn)行。目前，就規(guī)范而言，對于該類橋梁的抗傾覆驗(yàn)算尚無明確規(guī)定，基于此，部分地區(qū)或設(shè)計(jì)單位根據(jù)自己的實(shí)際情況，制定了相應(yīng)的指導(dǎo)意見。

廣東深汕高速公路西段是我國高速公路網(wǎng)絡(luò)中同(江)-三(亞)國道主干線的組成部分，也是連接深圳、汕頭兩大經(jīng)濟(jì)特區(qū)乃至珠江三角洲特別是粵東地區(qū)的交通大動(dòng)脈，屬于國家“八五”重點(diǎn)工程建設(shè)項(xiàng)目。淡水高架橋位于深汕高速公路西段的惠州市惠陽區(qū)，由于建設(shè)時(shí)間較早，交通壓力大，故需重新對橋梁的安全性進(jìn)行評估[2-5]。本文結(jié)合該項(xiàng)工程實(shí)例，擬對不同抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算方法進(jìn)行研究，比較其優(yōu)劣，對實(shí)際的橋梁抗傾覆計(jì)算進(jìn)行了一次探索，為類似工程提供借鑒。

1 工程背景

該橋全長1 673.89 m，中心樁號K2832+595，全橋九聯(lián)，橋梁跨徑組合為(12×18.5)+3×(14×18.0)+(15.62+24.5+15.62)+2×(8×18.0)+(14×18.5)+(12.38+4×20.0+18.7)m鋼筋混凝土連續(xù)箱梁。上部鋼筋混凝土連續(xù)箱梁采用單箱雙室斷面，箱梁頂板寬12.24 m，底板寬度為8.46 m，橋梁中心線處梁高1.3 m或1.45 m，箱梁頂板厚度為20 m，底板厚度為18～40 cm，腹板厚度為22～30 cm，箱梁采用頂板成坡，底板水平的方式實(shí)現(xiàn)橋梁橫坡的變化，左中右腹板高度根據(jù)橫坡的變化而變化。全橋橋面為8 cm 瀝青混凝土鋪裝，采用盆式橡膠支座，本次驗(yàn)算的第五聯(lián)和第九聯(lián)橋下部橋墩均為承臺接獨(dú)柱墩形式?，F(xiàn)場調(diào)查時(shí)橋梁處于運(yùn)營狀態(tài)，運(yùn)營狀況良好，箱梁底無明顯裂縫；橋梁養(yǎng)護(hù)狀況良好，根據(jù)養(yǎng)護(hù)記錄，橋梁無其他損傷。

根據(jù)橋梁下部墩臺形式、平曲線布置形式以及跨徑組成等因素，對第九聯(lián)(左右幅)橋進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算，該聯(lián)上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋，其主要技術(shù)參數(shù)描述如下：

(1) 荷載等級：汽車-超20級，掛車-120。

(2) 橋面寬度：0.5 m(外側(cè)防撞墻)+11.45 m(行車道)+0.29 m(內(nèi)側(cè)防撞墻)。

(3) 第九聯(lián)(右幅變寬幅)上部箱梁跨徑：(17.9+4×20.0+11.57)m。

(4) 第九聯(lián)(左幅等寬幅)上部箱梁跨徑：(12.38+4×20.0+18.7)m。

(5) 橋墩形式：直徑D=150 cm獨(dú)柱式墩。

(6) 單支點(diǎn)支座(左右幅)：88#、89#、90#(固定支座)、91#墩均為單支座。

(7) 聯(lián)端支座間距：5.4 m。

(8) 第九聯(lián)橋平曲線位于R=1 000 m的圓曲線上。橋墩橋臺均按照法線布設(shè)，平面線型根據(jù)主梁及護(hù)欄調(diào)整。

2 結(jié)構(gòu)模型

為計(jì)算上部箱梁結(jié)構(gòu)支座反力，利用Midas Civil分析軟件實(shí)現(xiàn)對橋梁上部結(jié)構(gòu)的模擬。其中，第九聯(lián)橋模型共劃分為86個(gè)單元，左幅(等寬幅)結(jié)構(gòu)模型及邊界條件如圖1～2所示；右幅(變寬幅)結(jié)構(gòu)模型及邊界條件如圖3～4所示。橋梁抗傾覆驗(yàn)算時(shí)，車輛加載方向根據(jù)行車道方向確定[4-5]。

圖1 第九聯(lián)左幅(等寬幅)有限元模型

圖2 第九聯(lián)左幅(等寬幅)有限元邊界條件

圖3 第九聯(lián)右幅(變寬幅)有限元模型

圖4 第九聯(lián)右幅(變寬幅)有限元邊界條件

其中，箱梁采用40號混凝土，強(qiáng)度值依據(jù)《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》[6]取用。預(yù)應(yīng)力鋼絞線單根直徑φ=15.24 mm，面積A=140 mm2，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.9×105MPa；普通鋼筋按GB1499-84規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)取用，鋼筋直徑d≥12 mm，采用Ⅱ級鋼筋，鋼筋直徑d≤12 mm，采用Ⅰ級鋼筋。

利用Midas有限元模擬軟件對橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行原設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)核，原上部箱梁結(jié)構(gòu)配筋滿足內(nèi)力計(jì)算要求。本文主要考慮偏載作用下橋梁的穩(wěn)定性計(jì)算，因本案例未見橋梁病害情況，故不考慮病害影響。

3 計(jì)算依據(jù)

我國對公路及市政橋梁的抗傾覆計(jì)算尚無明確規(guī)定，本文主要參考《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》[6](以下簡稱“設(shè)計(jì)規(guī)范”)及《廣東省公路獨(dú)柱墩橋梁設(shè)計(jì)與整治工程指導(dǎo)意見》(以下簡稱“指導(dǎo)意見”)等分別計(jì)算，并對比了不同計(jì)算方法所得結(jié)果之間的差異，如表1所示。

表1 抗傾覆計(jì)算結(jié)果對比

3.1 基于設(shè)計(jì)規(guī)范的計(jì)算方法

依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，采用整體式斷面的中小跨徑梁橋應(yīng)進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)抗傾覆計(jì)算，其抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)滿足式(1)要求。

(1)

式中，kqf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(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)；Sbk為使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合。

在作用標(biāo)準(zhǔn)值組合(汽車荷載考慮沖擊作用)下，單向受壓支座不應(yīng)處于脫空狀態(tài)。對于彎橋，傾覆軸線隨圓心角變化而變化，當(dāng)跨中橋墩全部支座位于橋臺外側(cè)支座連線內(nèi)側(cè)時(shí)，傾覆軸線為橋臺外側(cè)支座連線；當(dāng)跨中橋墩全部支座位于橋臺外側(cè)支座連線外側(cè)時(shí)，傾覆軸線取為跨中橋墩支座連線，或外側(cè)橋臺支座與跨中橋墩支座連線。

箱梁橋的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式為：

(2)

式中，RGi為成橋狀態(tài)時(shí)各支座的支反力；xi為各支座到傾覆軸線的垂直距離；μ為橋梁結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)；qk為車道荷載中的均布荷載；Pk為車道荷載中的集中荷載；Ω為傾覆軸線與橫向加載車道圍成的面積；e為橫向加載車道到傾覆軸線垂直距離的最大值。

考慮到結(jié)構(gòu)傾覆不能先于結(jié)構(gòu)延性破壞及實(shí)際運(yùn)營汽車荷載與設(shè)計(jì)汽車荷載的相互關(guān)系，確定箱梁橋的抗傾覆系數(shù)不應(yīng)小于2.5。

箱梁橋傾覆過程中，橋臺側(cè)及聯(lián)端支座脫空是傾覆的開始，此時(shí)，結(jié)構(gòu)受力體系發(fā)生變化，因此，要求在作用標(biāo)準(zhǔn)值組合(汽車荷載考慮沖擊作用)下不應(yīng)出現(xiàn)支座脫空。

3.2 基于指導(dǎo)意見的計(jì)算方法

根據(jù)指導(dǎo)意見要求，持久狀況下，橋梁的結(jié)構(gòu)體系不應(yīng)發(fā)生改變，并應(yīng)按下列規(guī)定進(jìn)行橫橋向抗傾覆性能驗(yàn)算。

(1) 荷載作用下，支座應(yīng)始終保持受壓狀態(tài)。

(2) 作用標(biāo)準(zhǔn)值組合下，連續(xù)梁橋中箱梁的作用效應(yīng)應(yīng)符合式(3)～(5)的要求。

(3)

∑Sbk,i=∑RGki·li

(4)

∑Ssk,i=∑RQki·li

(5)

式中，kqf為抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)，取2.5，當(dāng)獨(dú)柱墩橋梁處于發(fā)生超載路段,應(yīng)適當(dāng)提高；∑Sbk,i為使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；∑Ssk,i為使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；li為第i個(gè)橋墩處失效支座與有效支座的支座中心間距，在傾覆失穩(wěn)極限狀態(tài)各橋墩僅存在一個(gè)有效支座；RGki為第i個(gè)橋墩處失效支座的永久作用支反力，按全部支座有效的支承體系驗(yàn)算；RQki為第i個(gè)橋墩處失效支座的可變作用支反力，按全部支座有效的支承體系驗(yàn)算，汽車荷載效應(yīng)(考慮沖擊作用)按各失效支座對應(yīng)的最不利布置形式取值。

4 驗(yàn)算工況

通過對高速公路實(shí)際通行車輛進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)存在重載貨車偏載密集排隊(duì)現(xiàn)象，危害橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性。有鑒于此，經(jīng)計(jì)算，建議在橫橋向僅偏載布置一個(gè)車道的情況下，應(yīng)將汽車荷載效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)提高為3.4。

應(yīng)按照以下兩種工況分別進(jìn)行驗(yàn)算：

工況一：公路-Ⅰ級車道荷載，分別驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)組合與基本組合下的支座反力值，本工況為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)荷載加載。

工況二：3.4倍公路-Ⅰ級車道荷載，橫向單車道加載，本工況模擬超載偏載情況，驗(yàn)算聯(lián)端支座是否脫空及獨(dú)柱墩轉(zhuǎn)角是否滿足要求。

5 確定傾覆軸

必須保證傾覆軸外側(cè)無固定約束，一般認(rèn)為，箱梁橋中心線同側(cè)最外層墩柱支點(diǎn)的連線為傾覆軸。第九聯(lián)橋左幅(等寬幅)最不利傾覆軸線為87#墩頂外側(cè)支座與93臺外側(cè)支座的連線，如圖5所示；第九聯(lián)右幅(變寬幅)最不利傾覆軸線為87#墩頂內(nèi)側(cè)支座與93臺內(nèi)側(cè)支座的連線，如圖6所示。

圖5 第九聯(lián)左幅(等寬幅)箱形橋傾覆軸線

圖6 第九聯(lián)右幅(變寬幅)箱形橋傾覆軸線

對于指導(dǎo)意見，抗傾覆計(jì)算僅考慮失效支座恒載作用，傾覆軸為外側(cè)所有支座連線，傾覆荷載考慮為汽車荷載作用下失效支座反力。結(jié)合本文案例，當(dāng)汽車荷載外偏時(shí)，橋梁中心線內(nèi)側(cè)支座為失效支座；當(dāng)汽車荷載內(nèi)偏時(shí)，橋梁中心線外側(cè)支座為失效支座。

6 驗(yàn)算結(jié)果

6.1 抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)

由于兩種抗傾覆軸計(jì)算方法所得結(jié)果差異較大，依據(jù)指導(dǎo)意見的計(jì)算方法僅考慮失效支座對傾覆軸的效應(yīng)值，且傾覆軸為外側(cè)支座連線，故計(jì)算結(jié)果偏于保守。根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，建議采用設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的計(jì)算方法，車道應(yīng)考慮重載貨車偏載密集排隊(duì)現(xiàn)象，同時(shí)，可適當(dāng)提高抗傾覆安全系數(shù)。

6.2 支座反力

通過對該聯(lián)橋恒載和汽車荷載的計(jì)算，得出工況一、二作用下獨(dú)柱墩支座最小反力均為正值，表明全橋獨(dú)柱墩的單向受壓支座均為受壓狀態(tài)，支座未脫空。同時(shí)，當(dāng)汽車荷載橫向單車道偏載通行效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)為3.4時(shí)，橋墩單向受壓支座均為受壓狀態(tài)。而聯(lián)端處支座(多支點(diǎn)支座)在工況一、二作用下支座最小反力均已出現(xiàn)較大的拉力，支座有脫空的可能，獨(dú)柱墩橋梁聯(lián)端支座出現(xiàn)脫空時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算獨(dú)柱墩的轉(zhuǎn)角是否滿足要求。

6.3 支座轉(zhuǎn)角

基本組合作用下，汽車橫向單車道偏載荷載效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)為3.4時(shí)，獨(dú)柱中墩支座的轉(zhuǎn)角參數(shù)如表2～3所示。

表2 第九聯(lián)橋(等寬幅)獨(dú)柱中墩支座轉(zhuǎn)角 (rad)

表3 第九聯(lián)橋(變寬幅)獨(dú)柱中墩支座轉(zhuǎn)角 (rad)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，偏載車道荷載作用下，獨(dú)柱墩轉(zhuǎn)角均滿足設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)論

本次驗(yàn)算模擬了橋梁偏心受壓最不利情況，在未考慮車輛離心力影響的前提下，采用不同方法對橋梁第九聯(lián)進(jìn)行了抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算分析，結(jié)論如下：

(1) 《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—2012)、《廣東省公路獨(dú)柱墩橋梁設(shè)計(jì)與整治工程指導(dǎo)意見》關(guān)于抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算的保守程度依次遞增。其中，后者僅考慮失效支座恒載效應(yīng)與失效支座活載效應(yīng)的比值，未考慮傾覆軸外側(cè)所有支座反力。

(2) 根據(jù)基本組合車輛荷載分項(xiàng)系數(shù)為3.4時(shí)的支座脫空及轉(zhuǎn)角計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為《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》中抗傾覆驗(yàn)算取為2.5的系數(shù)限值偏小，建議考慮連續(xù)重車外偏作用，應(yīng)適當(dāng)提高抗傾覆系數(shù)。

(3) 本文案例橋梁在計(jì)算車道外偏時(shí)，聯(lián)端出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象，因此，在橋梁的日常維護(hù)中應(yīng)重視橋梁支座的檢查。建議對聯(lián)端箱梁采用抗拉支座，加大聯(lián)端支座距離，或加重聯(lián)端箱梁自重等措施，同時(shí)，加強(qiáng)交通管理，避免重車組成的車隊(duì)沿橋梁最外側(cè)過橋。