■拜 杰

(新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830006)

1 前言

隨著大跨徑橋梁及城市高速立交數(shù)量的迅猛發(fā)展，考慮到汽車通行量和經(jīng)濟(jì)方面等因素，高速匝道、引橋多采用多跨連續(xù)變截面箱形梁橋，橋面大多為寬幅，通常下部結(jié)構(gòu)采用獨(dú)柱墩設(shè)計(jì)。 這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既增加了橋下路面的通行高度， 又有利于提高汽車通行量和駕駛員行車視野，同時(shí)也比較經(jīng)濟(jì)美觀。但是由于中間梁橋橋墩通常為獨(dú)墩單支座或固結(jié)， 在橋面板抗扭上未形成有效的支撐，使得橋梁的整體穩(wěn)定性較差，很容易由于超載發(fā)生事故。 2019 年10 月10 日晚，江蘇無錫312 國道一座高架橋發(fā)生橋面?zhèn)确鹿?，近百米的一段梁橋坍塌，致使兩輛裝載扎鋼卷大貨車墜橋，事故當(dāng)日造成3 人死亡、2 人受傷，引起極大的社會(huì)影響，事故現(xiàn)場如圖1 所示。

圖1 無錫高架橋橋面?zhèn)确鹿尸F(xiàn)場

類似的事故還有很多，從這些事故中我們可以看出，事故的原因多是因?yàn)槌d偏心而引起的橋體傾覆。 但對(duì)于變截面箱形梁橋在多種載荷工況下的變形扭轉(zhuǎn)機(jī)理認(rèn)識(shí)不到位；設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)方案考慮不周，往往側(cè)重于縱向分析，未能從“空間”、“整體”角度進(jìn)行全面分析；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案不合理這些問題都會(huì)對(duì)橋梁的穩(wěn)定性造成影響，一定要引起各方的注意。

2 橋梁橫向穩(wěn)定評(píng)價(jià)

2.1 規(guī)范要求及重視程度不足

現(xiàn)行的 《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)中3.6.8 對(duì)于寬幅橋梁安裝支座要求保證其上下傳力面保持水平，不得有脫空的支座[1]。 但缺乏對(duì)于橋梁橫向的穩(wěn)定性及對(duì)可能發(fā)生的傾覆的穩(wěn)定性系數(shù)的明文規(guī)定，沒有強(qiáng)制性要求進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算。盡管18 公路混凝土規(guī)范實(shí)施中加入了抗傾覆驗(yàn)算，但設(shè)計(jì)院反應(yīng)及重視程度不夠，缺少對(duì)重車或特殊荷載作用下的驗(yàn)算， 不能給相關(guān)養(yǎng)護(hù)及管理部門提供參考。

2.2 獨(dú)墩箱型橋梁分類

獨(dú)墩支撐梁式橋根據(jù)受力性能及破壞形式， 可將其分為3 種類型：①中墩與主梁固結(jié)獨(dú)墩支撐梁式橋，簡稱中墩固結(jié)獨(dú)柱式支承梁式橋； ②中墩與主梁采用支座連接的直線獨(dú)墩支承梁式橋， 簡稱中墩鉸接直線獨(dú)墩支承梁式橋； ③中墩與主梁采用支座連接的曲線獨(dú)墩支承梁式橋，簡稱中墩鉸接曲線獨(dú)墩支承梁式橋。

由于上述三種獨(dú)墩式梁橋中間獨(dú)墩的布置類型不同，使得橋梁在發(fā)生穩(wěn)定性破壞時(shí)，特征也不相同。 ①類中墩固結(jié)獨(dú)墩式支承梁式橋由于橋墩與橋底板固結(jié)，增加了箱型梁截面橫向穩(wěn)定剛度， 使得橋墩基礎(chǔ)橫向部分加入到了橋梁橫向穩(wěn)定性中去；②、③類中墩鉸接支撐梁式橋設(shè)置單支點(diǎn)時(shí)則考驗(yàn)懸臂壓重，偏心荷載作用，對(duì)梁體的抗扭強(qiáng)度和剛度要求大。如果抗扭剛度不夠，會(huì)發(fā)生梁體扭轉(zhuǎn)，然后獨(dú)墩單支座容易發(fā)生側(cè)滑，端支點(diǎn)處支座將產(chǎn)生脫空現(xiàn)象，橋梁結(jié)構(gòu)整體發(fā)生傾覆失穩(wěn)。

3 扭轉(zhuǎn)傾覆分析

3.1 變截面箱型連續(xù)梁橋荷載下的扭轉(zhuǎn)分析

變截面箱型連續(xù)梁橋在恒載作用下， 跨中截面的正彎矩最大，在設(shè)計(jì)中往往作為最不利截面進(jìn)行荷載布載。當(dāng)有偏心活載的作用下， 最不利的跨中截面又受到扭矩的作用，使得跨中部分箱梁產(chǎn)生彎扭耦合作用。由于變截面箱梁在跨中部分截面變化不大， 可以在跨中部分近似為部分等截面箱梁，如圖2 所示。

圖2 變截面箱梁相對(duì)范圍簡化模型

在邊界約束條件下進(jìn)行車道軸重荷載加載， 觀察其軸線方向所受應(yīng)力。 因約束正應(yīng)力的變化而引起的剪應(yīng)力勢必引起截面翹曲。隨著荷載的加重，引起整個(gè)梁體的橫截面方向變形增大。 當(dāng)橋型為2.2 節(jié)中①類中墩固結(jié)獨(dú)墩式支承梁式橋時(shí)， 墩柱基礎(chǔ)的橫向強(qiáng)度為整體橫向穩(wěn)定主要考慮方面；當(dāng)橋型為2.2 節(jié)中②、③類中墩鉸接支撐梁式橋時(shí)， 支座的穩(wěn)定性及翹曲后支座橫向摩擦是整體穩(wěn)定平衡的主要因素。 當(dāng)翹曲程度過大或扭矩過大時(shí)會(huì)造成支座轉(zhuǎn)動(dòng)角超限而破壞或是支座的脫空產(chǎn)生負(fù)的支座反力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起橋梁整體或局部的傾覆。在實(shí)例概況分析中將重點(diǎn)討論此類變形的受力情況， 并分析具體的影響因素。

3.2 工況簡化模型軟件模擬分析

本文引入一立交閘道橋， 其中一聯(lián)為三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)薄壁箱梁橋，橋跨部分為30+50+30m。橋全寬度9m，有效寬度8m，中間梁橋墩為單支座支撐，邊支墩為兩個(gè)支座。箱梁在橋墩橋臺(tái)上設(shè)置橫隔板，起到抗剪作用。 以實(shí)體單元SOLID65 建立模型，以0.5m 為一個(gè)單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，工況加載時(shí)荷載組加載到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。圖3 為工程梁橋上部結(jié)構(gòu)建立的模型示意圖， 表1 所示為此橋梁相應(yīng)結(jié)構(gòu)具體參數(shù)。

圖3 工程實(shí)例梁橋上部結(jié)構(gòu)模型

表1 橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)

本文按照最不利偏載單列布置?？紤]最大偏心作用，只在獨(dú)柱墩主梁之間的最外側(cè)加載。按照公路規(guī)范公路I級(jí)荷載組合，引入三種工況荷載，分別為(1)公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范 中公路-I 級(jí)車道荷載(qk=10.5kN/m,Pk=360kN)，(2)2 倍公路-I 級(jí)車道荷載，(3)3 倍公路-I 級(jí)車道荷載。 將三種工況在已有的橋梁簡化模型上進(jìn)行ANSYS 軟件加載計(jì)算，得到在荷載作用下橋梁的結(jié)構(gòu)變形圖，尤其是查看不同工況產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)下， 約束正應(yīng)力和切應(yīng)力產(chǎn)生變形對(duì)薄壁箱梁的影響。 圖4、5 為工況一下箱形橋變形位移圖。

圖4 工況一下箱形橋變形位移圖(橫向)

由橫向和縱向的位移變形圖可知， 此箱形梁隨著荷載的增大， 在約束扭轉(zhuǎn)作用下截面翹曲的程度會(huì)不斷地增大，剪應(yīng)力數(shù)值也不斷地增加。圖形中的等截面梁在數(shù)值上基本符合烏曼斯基閉口薄壁直桿約束扭轉(zhuǎn)理論。 但由于在工程實(shí)際當(dāng)中產(chǎn)生變形的原因機(jī)理較為復(fù)雜，相應(yīng)理論建立不夠完善， 對(duì)于荷載作用于變截面箱梁變形時(shí)各應(yīng)力之間是否完全符合相應(yīng)理論的解析解還有待進(jìn)一步的完善與充實(shí)。

圖5 工況一下箱形橋變形位移圖(豎向)

3.3 橋梁整體穩(wěn)定性驗(yàn)算方法分析

在3.2 工程實(shí)例的基礎(chǔ)上， 將從整體角度驗(yàn)算橋梁橫向穩(wěn)定。對(duì)于不同的車道工況荷載，我們可以同時(shí)考察在荷載作用下， 橋梁整體在受到偏心荷載扭轉(zhuǎn)作用下的端部支座，尤其是內(nèi)側(cè)端支點(diǎn)支座的受力情況。通過對(duì)上述工程實(shí)例箱形梁橋的整體計(jì)算， 我們可以從宏觀更加清晰地得出橋梁橫向穩(wěn)定情況。 并且分析出影響此類橋梁橫向穩(wěn)定的各個(gè)因素及所占的比例。從而分清主次，提出更好的解決措施。 下表2 為三種車道工況荷載作用下箱梁端支座的受力計(jì)算過程及結(jié)果表， 在表2 最后引入橫向傾覆穩(wěn)定系數(shù)(穩(wěn)定作用的結(jié)構(gòu)重力／傾覆作用的汽車荷載)，如下表2 所示。

從表2 中我們可以得出相應(yīng)規(guī)律及影響此類橋梁橫向穩(wěn)定的因素。

(1) 隨著橋梁在超出公路-I 級(jí)車道荷載并逐漸增大時(shí)，內(nèi)側(cè)端支座反力逐漸減小，但并非完全是線性變化。如圖6 所示，隨著車道荷載超載倍數(shù)的增加，內(nèi)側(cè)端支座總反力的變化情況。

表2 三種工況荷載支座傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果

圖6 車道荷載與內(nèi)側(cè)端支座反力變化

從圖6 中可以看出當(dāng)車道超載按比例變化時(shí)內(nèi)側(cè)端支座總反力并非按比例減小。當(dāng)超載倍數(shù)由1 增至2 時(shí)，內(nèi)側(cè)端支座總反力降幅變化不大。 但當(dāng)超載倍數(shù)達(dá)到2倍以上時(shí)，內(nèi)側(cè)端支座總反力降低很快，其中橫向傾覆穩(wěn)定系數(shù)亦呈曲線變化。 與18 公路混凝土規(guī)范要求的2.5倍傾覆驗(yàn)算系數(shù)基本一致。

(2) 結(jié)構(gòu)自重在抵抗箱體整體扭轉(zhuǎn)中占很大的比重，在三種工況中所占比例約為69%～77%。說明結(jié)構(gòu)本身重量在抵抗扭矩時(shí)的重要性， 要求設(shè)計(jì)人員在選擇行車量變化較大橋梁路段時(shí)的材料上要謹(jǐn)慎。尤其是鋼箱梁，雖然可以極大地加快施工速度， 但其自重顯然沒有混凝土箱梁重，需要進(jìn)行整體穩(wěn)定性的驗(yàn)算。

(3)邊跨與中跨的比例也在一定程度上影響著支座反力的變化，一般情況下，邊跨與中跨的比例范圍為0.8:1到0.5:1。 兩者之間每個(gè)端支座的分配率由等跨徑時(shí)的5.72%減少為2.74%， 此時(shí)結(jié)構(gòu)將處于更加不安全的狀態(tài)。所以需要根據(jù)實(shí)際情況考慮跨徑比例，提高橫向穩(wěn)定系數(shù)。

(4)從表2 中可以看出，橫向支座間距的布置對(duì)提高抗扭性有一定作用。 間距越小，抗傾覆力矩越小，傾覆力距也越大，越不安全?，F(xiàn)行規(guī)范并沒有嚴(yán)格規(guī)定相應(yīng)橋型支座橫向布置距離。所以在不影響整體結(jié)構(gòu)的情況下，可以適當(dāng)增加端支座間距或增加支座受力面積以增大抗傾覆扭矩，提高橫向傾覆穩(wěn)定系數(shù)。

中間獨(dú)墩支座在抵抗扭矩上作用不大， 中間支點(diǎn)為單支座時(shí)，不負(fù)擔(dān)扭矩。 當(dāng)橋梁的自重較小，行車量較大時(shí)可以考慮利用將中間獨(dú)柱墩設(shè)為寶瓶式橋墩或在獨(dú)柱上加設(shè)蓋梁或牛腿設(shè)計(jì)，蓋梁上設(shè)置多支點(diǎn)，共同參與箱梁抗扭，可以極大提升橋梁橫向穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

橋梁屬于技術(shù)科學(xué)，是以力學(xué)、材料學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、概率論為技術(shù)基礎(chǔ)支撐的應(yīng)用技術(shù)。 橋梁在設(shè)計(jì)、施工、使用上應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)技術(shù)規(guī)范和法律法規(guī)。 本文在結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件并進(jìn)行多工況驗(yàn)算的情況下得到以下結(jié)論：

(1)箱型梁在約束扭轉(zhuǎn)作用下截面翹曲的程度會(huì)隨著荷載的增大不斷的增大， 剪應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)增加。 利用ANSYS 軟件簡化模型施加偏心荷載得到的計(jì)算結(jié)果大致符合烏曼斯基閉口薄壁直桿約束扭轉(zhuǎn)理論。 考慮變截面等其他因素，在后續(xù)研究中仍需進(jìn)一步完善。

(2) 通過3.2 節(jié)中不同工況荷載整體穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果，影響此類橋梁橫向穩(wěn)定因素如自重、跨徑比例、支座間距的程度及所占比例在數(shù)值上各不相同。 在橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)注意各因素影響程度大小，分別加以考慮。

(3)在超載倍數(shù)的增加與支座變化影響圖6 中可以看出，當(dāng)超載倍數(shù)由1 增至2 時(shí)，內(nèi)側(cè)端支座總反力增幅變化不大。但當(dāng)超載倍數(shù)達(dá)到2 倍以上時(shí)，內(nèi)側(cè)端支座總反力降低很快；其中橫向傾覆穩(wěn)定系數(shù)亦呈曲線變化，下降會(huì)加快，必須引起工程技術(shù)人員足夠重視。