王振航，陳 勇，徐 達，周子杰

（上海市建筑科學研究院有限公司，上海市 200032）

0 引言

獨柱墩曲線梁橋具有外型優(yōu)美、線形流暢、節(jié)省空間及工程經(jīng)濟性好等優(yōu)點，在高速公路匝道橋和城市立交橋中得到了廣泛應用[1]。獨柱墩橋梁一般為中墩單點支撐，橋梁自身的穩(wěn)定性是控制設計的主要因素之一。車輛偏載作用對獨柱墩橋梁橫向傾覆穩(wěn)定不利，極端偏載可能導致橋梁傾覆[2]。近年來，我國發(fā)生了多起獨柱墩橋梁傾覆事故，結構橫向安全問題隨之受到廣泛關注。2018 年修訂的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362—2018）對公路橋梁抗傾覆性能提出了新的要求，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的計算方法也同步進行了調整。但規(guī)范中未考慮結構布置形式對抗傾覆穩(wěn)定性的影響，因此，有必要在新的標準下,探討結構布置形式對獨柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的影響，保證運營，以及擬建獨柱墩橋梁的安全[3]。

現(xiàn)以某高速公路立交匝道上典型的四跨一聯(lián)獨柱曲線連續(xù)梁橋為背景，根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362—2018）提出的橋梁傾覆過程中兩特征狀態(tài)及相應驗算要求，分析該聯(lián)橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性；分析聯(lián)端支座間距和中支座外偏心距與兩個特征狀態(tài)的關系；探討溫度效應與支座豎向反力、“爬移”效應及傾覆穩(wěn)定性的影響關系。其成果可為同類橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性設計驗算、加固改造提供參考[4]。

1 獨柱墩抗傾覆計算分析

1.1 背景橋梁

現(xiàn)以某高速公路四跨一聯(lián)獨柱曲線連續(xù)箱梁橋為例進行抗傾覆計算分析。該橋跨徑組合為22.0 m+22.0 m+22.0 m+22.0 m，位于緩和圓曲線上。設計荷載為汽-超20 級，掛-120 級。上部結構為單箱單室普通鋼筋混凝土箱形結構，采用C40 混凝土，如圖1所示。橋面布置為0.5 m（防撞墻）+7.0 m（機動車道）+0.5 m（防撞墻）=8.0 m，詳見圖1。橋臺采用排架式橋臺，橋墩采用樁柱式橋墩。支座為板式橡膠支座且未設限位措施，聯(lián)端為雙支座布置，間距為3.2 m；中墩為單支座布置，支座橫向向外側偏心0.1 m。

圖1 箱梁橫斷面圖（單位：cm）

1.2 計算參數(shù)

混凝土容重取26.0 kN/m3，并考慮箱梁橫隔板的自重；橋面鋪裝取18.4 kN/m；防撞墻兩側各取9.8 kN/m；對曲線梁橋考慮5%的橫向不平衡作用力；支座沉降考慮豎向沉降5.0 mm。

溫度作用：溫度梯度取升溫模式下T1=14.0℃，T2=5.5℃，降溫模式下T1=-7.0℃，T2=-2.75℃；整體升、降溫20.0℃。

汽車作用：采用公路-I 級車道荷載偏載作用進行驗算。采用單車道加載時，考慮1.2 倍的單車道橫向布載系數(shù)。

根據(jù)設計圖紙及相應參數(shù)利用Midas Civil 2019有限元軟件建立橋梁模型，全橋共185 個節(jié)點，184個梁單元。整體有限元模型及支座編號如圖2 所示。

圖2 有限元模型及支座編號圖

1.3 抗傾覆驗算分析

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362—2018）[5]第4.1.8 條進行驗算。條文說明中的算例并未提及可變作用溫度梯度效應和整體升降溫效應、永久作用支座沉降效應。為更準確地模擬抗傾覆穩(wěn)定性，以及分析各效應對抗傾覆能力的影響，此次驗算考慮上述效應，計算過程及結果如表1 所列。

表1 抗傾覆驗算結果表

2 獨柱墩傾覆影響因素分析

現(xiàn)主要研究聯(lián)端支座間距和中支座外偏心距與抗傾覆計算兩個特征狀態(tài)的關系；探討溫度效應對支座豎反力及箱梁“爬移”效應的影響，進而分析對抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的影響。

2.1 聯(lián)端支座間距影響分析

為研究聯(lián)端支座間距對曲線梁橋橫向抗傾覆穩(wěn)定性的影響，以1.2 節(jié)模型參數(shù)和有限元模型為基礎，通過選取支座橫向間距2.4 m、2.8 m、3.2 m、3.6 m四種情況來計算分析聯(lián)端支座間距與兩個特征狀態(tài)的關系。其與特征狀態(tài)1（最不利基本組合）支座反力的計算結果如表2 所列和圖3 所示，與特征狀態(tài)2（最不利標準組合）橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的計算結果如圖4 所示。

圖3 聯(lián)端支座間距與特征狀態(tài)1 支反力關系曲線圖

圖4 聯(lián)端支座間距與特征狀態(tài)2 關系曲線圖

表2 特征狀態(tài)1 各支座豎向反力表 單位：kN

由表2 和圖3 可知，在相同的模型參數(shù)下，只改變聯(lián)端支座間距。特征狀態(tài)1 在最不利基本組合下其端部內外側支座均隨著支座橫向間距的增大，其反力也隨之增大，并且端部支座受力有由受拉狀態(tài)向受壓狀態(tài)趨勢的轉變；但中墩支座隨著聯(lián)端支座間距的增大，其反力不變。

由圖4 可知，特征狀態(tài)2 在最不利標準組合下的橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨著支座間距的變化產(chǎn)生線性變化，隨支座間距的增大抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)逐步增大。

2.2 中支座外偏心距影響分析

在本文1.2 節(jié)模型參數(shù)和有限元模型的基礎上，根據(jù)現(xiàn)場支座偏移情況選取中墩支座曲線外側的偏心距0 cm、3 cm、5 cm、8 cm、10 cm、15 cm 六種情況來計算分析支座外偏心距與兩個特征狀態(tài)的關系。其與特征狀態(tài)1（最不利基本組合）支座反力的計算結果如表3 所列和圖5 所示，與特征狀態(tài)2（最不利標準組合）橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的計算結果如圖6所示。

表3 特征狀態(tài)1 各支座豎向反力表 單位：kN

圖5 中支座外偏心距與特征狀態(tài)1 支反力關系曲線圖

圖6 中支座外偏心距與特征狀態(tài)2 關系曲線圖

由表3 和圖5 可知，只改變中墩支座外偏心距，特征狀態(tài)1 在最不利基本組合下端部內外側支座表現(xiàn)出不同的變化趨勢。其中，兩端部外側支座均隨著外偏心距的增大，反力變小，并由受壓狀態(tài)轉變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)；兩端部內側支座隨著外偏心距的增大反力隨之增大；中墩支座隨著外偏心距的增大，反力并沒有太明顯的變化，但也存在一定減小的趨勢。

雖然兩端部內、外側支座隨外偏心距的增大表現(xiàn)出相反的變化趨勢，但由圖6 可知：特征狀態(tài)2 在最不利標準組合下的其橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)依然隨中支座外偏心距的增大也隨之增大。

2.3 溫度效應影響分析

在1.3 節(jié)對該橋抗傾覆驗算的基礎上，將溫度效應及特征狀態(tài)1（最不利基本組合）下各支座產(chǎn)生的豎向反力匯總于表4。

通過表4 的計算結果，單從溫度影響方面來看，溫度梯度對支座豎向反力影響較大，而整體升、降溫對支座豎向反力無影響；從最不利基本組合下支反力來看，若不考慮溫度效應使得聯(lián)端內外側支座及中墩部分支座的豎向反力均有明顯增大的趨勢。從橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)來看，根據(jù)1.3 節(jié)表1 相應的計算，若不考慮溫度效應，橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)也會有一定增大的趨勢，這里不再詳細計算。

表4 不同效應各支座豎向反力表 單位：kN

相關文獻[6]研究表明，混凝土箱梁在溫度作用下將會產(chǎn)生“爬移”效應，即箱梁發(fā)生徑向位移。為探究影響箱梁“爬移”的最不利溫度效應因素，將溫度梯度升、降和整體升、降溫作用下的徑向位移計算結果羅列如圖7 所示。

圖7 溫度效應下徑向位移圖

由圖7 可知，在梯度升溫作用下該橋在3# 支座及附近位置向曲線外側偏移0.6 mm，聯(lián)端部無徑向位移；在梯度降溫作用下，該橋在3# 支座及附近位置向曲線內側偏移0.3 mm，聯(lián)端部無徑向位移；在整體升溫作用下，該橋在3# 支座及附近位置向曲線外側偏移1.4 mm，聯(lián)端部向曲線內側偏移0.4 mm；在整體降溫作用下，該橋在3# 支座及附近位置向曲線內側偏移1.4 mm，聯(lián)端部向曲線外側偏移0.4 mm。

箱梁在溫度梯度作用下表現(xiàn)出僅中墩位置處存在徑向偏移；在整體升、降溫作用下表現(xiàn)出中墩位置和端部位置處均發(fā)生了徑向偏移。因此箱梁的“爬移”效應受整體升、降溫作用較大，尤其在整體升溫作用下，箱梁端部向內側偏移，中墩處向外側偏移。支座與箱梁發(fā)生了相對位移，改變了支座的受力分配與箱梁的扭矩分布，對橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性更為不利。

根據(jù)上述計算，若箱梁在溫度作用下的橫向變形不加以限制，則可能在日積月累地溫度作用下出現(xiàn)較大的爬移。該橋實測箱梁向外爬移3～5 cm，以爬移量5 cm 對其橫向抗傾覆性重新進行計算，計算結果表明其特征狀態(tài)1 下支座仍然脫空且特征狀態(tài)2下橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)也極大減小，為0.92。因此，建議對在役的獨柱墩橋梁增加橫向限位措施，防止箱梁發(fā)生“爬移”造成傾覆事故。

3 結論

本文以四跨一聯(lián)獨柱曲線連續(xù)箱梁橋為背景，基于《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362—2018）相應的抗傾覆穩(wěn)定性驗算要求，通過以上計算分析可以得出以下結論：

（1）該四跨一聯(lián)獨柱曲線連續(xù)箱梁橋的抗傾覆穩(wěn)定性不滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，需要對其進行加固以保證橋梁的運行安全。

（2）抗傾覆能力隨聯(lián)端支座間距的增大而提高。特征狀態(tài)1 下端部支座反力隨支座間距的增大也隨之增大，并且由受拉狀態(tài)向受壓狀態(tài)轉變的趨勢；中墩支座反力隨聯(lián)端支座間距的增大而不變；特征狀態(tài)2 下橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨支座間距的增大也線性增大。另外，若采用單點支撐轉變?yōu)殡p支撐的方法對獨柱墩橋梁進行加固時，建議適當加大支座間距，提高抗傾覆穩(wěn)定性。

（3）特征狀態(tài)1 下中墩支反力隨著外偏心距的增大有一定減小的趨勢；端部內側支座反力隨外偏心距的增大隨之增大，端部外側支座則變化相反。另外當外偏心距超過一定范圍時，端部外側支座由受壓狀態(tài)轉變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，不利于橋梁的抗傾覆；特征狀態(tài)2 下橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨中支座外偏心距的增加而增大。因此設置合理的外偏心距能夠使得橋梁的抗傾覆能力得到提升。

（4）支座豎向反力受溫度梯度作用影響較大，使得箱梁向不利于抗傾覆穩(wěn)定性方向發(fā)展，箱梁“爬移”效應主要是在整體升溫作用下。因此在設計時，應綜合考慮溫度效應對獨柱墩梁橋的影響，避免因溫度作用導致梁體向傾覆趨勢發(fā)展。

（5）建議對在役的獨柱墩橋梁設置橫向限位措施，抑制箱梁的“爬移”效應，并在橋梁定期檢查中，重點關注梁體與支座是否有相對位移，對獨柱墩橋梁傾覆風險提前預警。