張宏， 張偉

(長(zhǎng)安大學(xué) 理學(xué)院,陜西 西安 710064)

鋼箱梁橋因其具有抗扭剛度大、受力性能好、結(jié)構(gòu)自重輕、加工方便、施工工期短等優(yōu)點(diǎn)，在城市高架橋中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但結(jié)構(gòu)自重輕作為鋼箱梁優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也成為其缺點(diǎn)。因?yàn)楫?dāng)鋼箱梁的結(jié)構(gòu)自重較輕時(shí)，若有較大的車(chē)輛荷載通過(guò)鋼箱梁外側(cè)車(chē)道，鋼箱梁上部結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的抗傾覆力矩不足以抵抗結(jié)構(gòu)自重力矩和車(chē)輛荷載產(chǎn)生的傾覆力矩，導(dǎo)致鋼箱梁橫向穩(wěn)定性不足，容易發(fā)生傾覆破壞。

已有較多學(xué)者對(duì)提高連續(xù)鋼箱梁橋橫向抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行了研究：崔亞新等[2]提出在連續(xù)鋼箱梁橋支座部位設(shè)置抗傾覆拉桿，避免支座脫空，從而避免橋梁發(fā)生傾覆破壞；蘇亞慶等[3]提出在墩頂和鋼箱梁之間應(yīng)用鋼構(gòu)件進(jìn)行橫向限位設(shè)計(jì)，或利用支座和擋塊適當(dāng)限制梁的側(cè)向位移，以此提高鋼箱梁橋的橫向穩(wěn)定性；許冰等[4]提出在連續(xù)鋼箱梁橋中采用雙柱式橋墩形式，并盡可能增大橫向支座間距，以此提高鋼箱梁橋的橫向穩(wěn)定性。上述學(xué)者所提出的改善橋梁結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性的方法主要針對(duì)處于設(shè)計(jì)和施工階段的橋梁結(jié)構(gòu)，具有一定的局限性。

為了從根源上提高鋼箱梁橋結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性能，本文依托實(shí)際工程并結(jié)合《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50003—2011)[5]對(duì)抗傾覆系數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行了修正，提出了在連續(xù)鋼箱梁橋箱室內(nèi)澆筑混凝土來(lái)提高其抗傾覆性能的措施，并分析驗(yàn)證該措施的合理性。

1 連續(xù)鋼箱梁橋傾覆破壞機(jī)理與評(píng)判準(zhǔn)則

1.1 連續(xù)鋼箱梁橋傾覆破壞機(jī)理

根據(jù)連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)的傾覆發(fā)展過(guò)程來(lái)看，其破壞機(jī)理主要分為以下幾種：

上部結(jié)構(gòu)偏載引起的橋梁結(jié)構(gòu)的傾覆力矩小于橋梁的抗傾覆力矩，支座因受到較大水平力的作用使其水平位移超限而失效，導(dǎo)致支座的上部結(jié)構(gòu)落梁；支座未因受到較大水平力的作用而導(dǎo)致水平位移超限失效，但墩頂截面發(fā)生壓彎破壞，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)落梁；上部偏載引起的橋梁結(jié)構(gòu)的傾覆力矩大于抗傾覆力矩，遠(yuǎn)離荷載作用位置的支座全部脫空，結(jié)構(gòu)發(fā)生整體傾覆。

連續(xù)鋼箱梁橋的橫向穩(wěn)定為主梁、支座、墩柱結(jié)構(gòu)共同作用下的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，其中任何一個(gè)部分發(fā)生破壞，都將造成極其嚴(yán)重的后果。因此，判斷結(jié)構(gòu)的橫向整體穩(wěn)定性不僅要分析主梁的抗傾覆力矩與傾覆力矩的大小關(guān)系，還應(yīng)考慮支座的水平位移以及墩柱的承載能力。

1.2 連續(xù)鋼箱梁橋傾覆破壞的評(píng)判準(zhǔn)則

依據(jù)連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)傾覆破壞發(fā)展過(guò)程中的3種主要傾覆破壞機(jī)理，確立其傾覆破壞的評(píng)判準(zhǔn)則如下：

1)遠(yuǎn)離偏載作用位置的支座是否脫空，即是否出現(xiàn)支座負(fù)反力。

2)遠(yuǎn)離偏載作用位置的支座脫空后，主梁結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩是否大于偏載的傾覆力矩，抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)是否符合要求。

3)靠近偏載作用一側(cè)的支座水平位移是否超限，墩柱在水平力和豎向力的作用下是否出現(xiàn)壓彎破壞。

2 連續(xù)鋼箱梁橋抗傾覆分析

2.1 依托工程背景

西安市鳳城五路與北辰大道互通立交工程，是西安市北部片區(qū)“三橫三縱”快速路網(wǎng)的重要組成部分，是服務(wù)2021年全運(yùn)會(huì)的重要交通通道。鳳城五路立交北辰主線鋼箱梁共計(jì)8聯(lián)，長(zhǎng)1 035 m，選取第3聯(lián)鋼箱梁進(jìn)行模擬計(jì)算。北辰主線第3聯(lián)連續(xù)鋼箱梁為單箱4室鋼箱梁結(jié)構(gòu)，箱梁頂寬25.2 m，箱梁底寬17.5 m，中心梁高1.8 m，支座間距5.6 m，跨徑為35 m+35 m+35 m。鋼箱梁截面左右對(duì)稱(chēng)，其左側(cè)橫截面如圖1所示。

圖1 鋼箱梁左側(cè)橫截面示意圖(單位:mm)

2.2 有限元模型及加載工況

根據(jù)連續(xù)鋼箱梁傾覆破壞的幾何原理，其抗傾覆能力主要取決于主梁寬與支座間距的比值[6]。為便于分析連續(xù)鋼箱梁橫向抗傾覆能力，作以下簡(jiǎn)化：將上部結(jié)構(gòu)等效為平面板；荷載均勻分布；上部鋼箱梁在偏載作用下不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞和局部破壞。 簡(jiǎn)化后的有限元模型如圖2所示。

圖2 連續(xù)鋼箱梁橋有限元模型

分析橋梁傾覆事故頻頻發(fā)生的原因發(fā)現(xiàn)，車(chē)輛超載且偏載導(dǎo)致的情況尤為突出。結(jié)合《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 11—2011)[7]，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，分為以下5種工況：

工況一：城市-A級(jí)車(chē)道荷載；

工況二：1.3倍城市-A級(jí)車(chē)道荷載；

工況三：《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 11—2011)中70 t車(chē)輛荷載，車(chē)隊(duì)縱向兩車(chē)前后軸距為10 m，沿右側(cè)第3車(chē)道行駛，車(chē)輛軸距為3.6 m—1.2 m—6.0 m—7.2 m，軸重60 kN+140 kN+140 kN+200 kN+160 kN；

工況四：1.3倍工況3荷載；

工況五：120 t嚴(yán)重超載車(chē)輛，車(chē)隊(duì)縱向兩車(chē)前后軸距為10 m，沿右側(cè)第3車(chē)道行駛，車(chē)輛軸距為3.6 m—1.2 m—6.0 m—7.2 m，軸重80 kN+250 kN+250 kN+340 kN+280 kN；

工況三或工況五中70 t或120 t車(chē)輛沿右側(cè)第3車(chē)道行駛時(shí)，縱橋向布置如圖3所示。

圖3 車(chē)輛縱橋向荷載布置圖(單位:m)

2.3 抗傾覆分析結(jié)果

圖4為5種工況作用下，根據(jù)ANSYS軟件模擬計(jì)算所得的連續(xù)鋼箱梁橋支座反力結(jié)果。

圖4 各工況荷載作用下支座反力結(jié)果

由圖4可知：在5種荷載工況下，連續(xù)鋼箱梁各支座均未出現(xiàn)負(fù)反力，所以，結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象；支座反力最小值為236 kN，出現(xiàn)在工況二荷載作用下的0-1#、3-1#支座處，這種情形雖不至于引起主梁的傾覆，但此時(shí)結(jié)構(gòu)抵抗傾覆破壞的安全儲(chǔ)備不大。

根據(jù)《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64—2015)[8]中關(guān)于橋梁抗傾覆驗(yàn)算的相關(guān)規(guī)定，直線段連續(xù)鋼箱梁橋傾覆時(shí)以偏載側(cè)支座中心連線為傾覆軸線，抗傾覆力矩為主梁傾覆軸線內(nèi)側(cè)自重產(chǎn)生的力矩，傾覆力矩為汽車(chē)荷載與主梁傾覆軸線外側(cè)自重產(chǎn)生的力矩之和。各工況荷載作用下的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)見(jiàn)表1。

由表1可得,分別在工況一、三、四的荷載作用下，梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)大于1.3，滿(mǎn)足《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64—2015)中的要求；分別在工況二、五的荷載作用下，該連續(xù)鋼箱梁橋的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)小于1.3，不滿(mǎn)足上述規(guī)范要求。

表1 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果

根據(jù)橋梁傾覆破壞的評(píng)判準(zhǔn)則，進(jìn)一步驗(yàn)算支座的水平位移和墩柱的強(qiáng)度。不同荷載工況下支座的水平位移和墩柱的最大應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同工況荷載作用下支座水平位移和墩柱最大壓應(yīng)力結(jié)果

由表2可知，在5種不同偏載工況作用下，邊支座的最大水平位移為2.48 mm，中間支座的最大水平位移為2.64 mm，都分別遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于各自設(shè)計(jì)值125和100 mm；墩柱的最大壓應(yīng)力為10.69 MPa，遠(yuǎn)小于其設(shè)計(jì)值40 MPa。支座及墩柱發(fā)生破壞的可能性極小。

綜合上述結(jié)果可知，該橋不容易發(fā)生因?yàn)橹ё轿灰坪投罩休d力超限引起的落梁或坍塌破壞，但容易發(fā)生由于偏載過(guò)大引起的上部結(jié)構(gòu)的整體傾覆破壞。因此，應(yīng)對(duì)工況二和工況五的荷載作用時(shí)的情形引起足夠的重視，需采取相應(yīng)措施提高連續(xù)鋼箱梁橋的橫向抗傾覆能力。

3 抗傾覆措施及其實(shí)施結(jié)果分析

3.1 抗傾覆措施

眾所周知，大多數(shù)橋梁在發(fā)生傾覆破壞前毫無(wú)預(yù)兆，連續(xù)鋼箱梁橋一旦發(fā)生傾覆破壞將造成局部的交通癱瘓和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64—2015)中規(guī)定對(duì)結(jié)構(gòu)抗傾覆不利的恒載和活載的重要性系數(shù)分別為1.0和1+μ(μ為沖擊系數(shù))，而在《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50003—2011)4.1.6條中規(guī)定對(duì)結(jié)構(gòu)抗傾覆不利的恒載和活載的重要性系數(shù)分別為1.2和1.4。為了使結(jié)構(gòu)具有更大的橫向抗傾覆穩(wěn)定性安全儲(chǔ)備，結(jié)合《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 5003—2011)對(duì)結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算公式進(jìn)行修正：提高對(duì)結(jié)構(gòu)抗傾覆不利的恒載和活載的重要性系數(shù)，考慮到橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)范圍為0≤μ≤0.45。因此，在修正公式中：當(dāng)0≤μ≤0.40時(shí)，活載的重要性系數(shù)取為1.4；當(dāng)0.40≤μ≤0.45時(shí)，活載的重要性系數(shù)取為1+μ；不論沖擊系數(shù)為何值恒載的重要性系數(shù)均取為1.2。修正后的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

式中：γqf為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；G1為對(duì)結(jié)構(gòu)抗傾覆有利的結(jié)構(gòu)自重；G2為對(duì)結(jié)構(gòu)抗傾覆不利的結(jié)構(gòu)自重；x1為對(duì)結(jié)構(gòu)抗傾覆有利的結(jié)構(gòu)自重質(zhì)心到傾覆軸線的距離；x2為對(duì)結(jié)構(gòu)抗傾覆不利的結(jié)構(gòu)自重質(zhì)心到傾覆軸線的距離；qk為車(chē)道荷載均布荷載；Pk為車(chē)道荷載集中荷載；L為箱梁計(jì)算跨徑；ej為傾覆側(cè)各橫向加載車(chē)道到傾覆軸線的距離；γG為對(duì)結(jié)構(gòu)抗傾覆不利的上部結(jié)構(gòu)恒載的重要性系數(shù)，取1.2；γQ為對(duì)結(jié)構(gòu)抗傾覆不利的汽車(chē)荷載效應(yīng)的重要性系數(shù)，其取值規(guī)定如下：

選用修正后的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式，再次計(jì)算5種工況荷載作用下結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知：除了工況三以外,各工況荷載作用下由公式(1)計(jì)算所得γqf結(jié)果均小于1.3。此時(shí)，雖然抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果不同，但連續(xù)鋼箱梁的抗傾覆能力是相同的。若此時(shí)采取措施使得抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)仍然大于1.3，其鋼箱梁的抗傾覆性能將得到顯著提高。

表3 由修正公式(1)所得的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果

由式(1)可知，工況相同時(shí)若要增大結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，需增大其抗傾覆力矩。結(jié)合支座反力計(jì)算結(jié)果(圖4)可得，在不同工況荷載作用下，邊支座豎向反力遠(yuǎn)小于中間支座的豎向反力。因此，在鋼箱梁兩端箱室內(nèi)澆筑混凝土在增大抗傾覆力矩的同時(shí)也能使得各支座受力均勻，避免墩柱產(chǎn)生不均勻沉降。

根據(jù)連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在聯(lián)端箱室內(nèi)澆筑配重混凝土?xí)r有2種布置方式。其一是僅在中間兩箱室內(nèi)澆筑混凝土，混凝土高度較高，易導(dǎo)致箱梁重心升高；其二是在4個(gè)箱室內(nèi)澆筑混凝土，但部分混凝土在自重作用下會(huì)產(chǎn)生較大的傾覆力矩。2種混凝土配重方式如圖5所示。

圖5 配重布置示意圖(單位:mm)

為了研究2種配重布置方式對(duì)連續(xù)鋼箱梁橋抗傾覆性能的影響，分析2種配重布置方式在相同工況下(工況一)的結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)與混凝土體積之間的關(guān)系?？箖A覆穩(wěn)定系數(shù)隨混凝土體積變化的規(guī)律如圖6所示。

圖6 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨混凝土體積變化的規(guī)律

由圖6可知，在相同工況下澆筑相同體積的混凝土，配重方式一比方式二對(duì)結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的提高更明顯，且隨著混凝土體積的增加，配重方式一與配重方式二的抗傾覆效果差別越來(lái)越大，配重方式一優(yōu)于方式二。結(jié)合文中的工程背景，當(dāng)在鋼箱梁兩端澆筑150 m3混凝土?xí)r，2種配重方式的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)值接近，但配重方式二澆筑的混凝土高度小、施工更便捷。因此，采用配重方式二來(lái)提高鋼箱梁橋橫向抗傾覆穩(wěn)定性。

3.2 抗傾覆措施結(jié)果分析

為了研究在連續(xù)鋼箱梁兩端箱室內(nèi)澆筑混凝土對(duì)提高結(jié)構(gòu)抗傾覆能力的影響，對(duì)比配重前后使用修正公式計(jì)算得到的連續(xù)鋼箱梁不同工況荷載作用下的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。同時(shí)，對(duì)比配重前后連續(xù)鋼箱梁橋不同工況荷載作用下縱橋向各跨最大彎矩和中間支座負(fù)彎矩的大小，研究混凝土配重對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。配重前后不同工況下縱橋向各跨最大正彎矩、中間支座負(fù)彎矩及結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)見(jiàn)表4。

由表4可知:在連續(xù)鋼箱梁兩端澆筑混凝土后，其邊跨跨中最大正彎矩及中間支座最大負(fù)彎矩增加，中跨跨中最大正彎矩減?。幌噍^于未增加配重時(shí)，在箱室內(nèi)澆筑混凝土增加配重后，成橋狀態(tài)下，邊跨最大正彎矩增幅約為8.3%，中支座處最大負(fù)彎矩增幅約為3.3%，中跨最大正彎矩增幅約為-21.1%；且相較于未增加配重時(shí)，連續(xù)鋼箱梁橋在不同工況荷載作用下的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均有顯著提高，具有更好的橫向抗傾覆性能。

表4 不同工況下縱橋向各跨最大正彎矩、中間支座負(fù)彎矩及結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果

4 結(jié)論

結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)連續(xù)鋼箱梁橋在重車(chē)偏載作用下的抗傾覆性能進(jìn)行了有限元分析。分析了連續(xù)鋼箱梁橋在重車(chē)偏載作用下上部結(jié)構(gòu)、支座、墩柱的穩(wěn)定性。對(duì)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64—2015)中抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算公式進(jìn)行了修正，提出在鋼箱梁內(nèi)部澆筑配重混凝土的方法來(lái)提高鋼箱梁橋橫向抗傾覆的穩(wěn)定性能，在對(duì)鋼箱梁結(jié)構(gòu)配重前后不同工況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析后，得出了以下結(jié)論：

1)依托工程背景下的連續(xù)鋼箱梁橋在重車(chē)偏載作用下，支座及墩柱不會(huì)在水平力及豎向力的作用下發(fā)生破壞，導(dǎo)致上部鋼箱梁落梁。但應(yīng)注意因偏載過(guò)大可能引起鋼箱梁橋的整體翻轉(zhuǎn)傾覆。

2)對(duì)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64—2015)中抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算公式進(jìn)行修正后，雖然鋼箱梁橋的抗傾覆能力不變，但使用修正公式得到的結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果更小。說(shuō)明采用修正公式的計(jì)算結(jié)果使鋼箱梁橋具有更大的安全儲(chǔ)備，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于安全。

3)在連續(xù)鋼箱梁兩端箱室內(nèi)澆筑一定量的混凝土，在顯著提高鋼箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的同時(shí)對(duì)連續(xù)鋼箱梁橋的內(nèi)力影響不大，表明在箱室內(nèi)澆筑混凝土提高鋼箱梁橋結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆穩(wěn)定性的方法是可行的。