王紫玉

（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京市 100082）

0 引言

伴隨國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和綜合國(guó)力的提升，我國(guó)城市建設(shè)進(jìn)入一個(gè)新的紀(jì)元。為更好適應(yīng)行車要求、節(jié)約建設(shè)用地，在市政和公路立交中建設(shè)了眾多大曲率定向、轉(zhuǎn)向匝道，曲線梁橋結(jié)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用。設(shè)計(jì)人員一般更注重構(gòu)件強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，而忽視支承體系的合理性。因此，本文通過對(duì)獨(dú)柱曲線梁橋受力特點(diǎn)和病害形態(tài)的分析，結(jié)合具體算例，總結(jié)出影響?yīng)氈€梁橋穩(wěn)定的因素，并提出相應(yīng)的解決對(duì)策，從而為今后此類橋梁的設(shè)計(jì)提供一些參考和借鑒。

1 影響曲線梁橋穩(wěn)定的潛在因素

近年來，橋梁失穩(wěn)傾覆的現(xiàn)象頻發(fā)，逐步引發(fā)社會(huì)的關(guān)注。曲線梁橋作為受力較復(fù)雜的一類橋梁，其穩(wěn)定性問題顯得更突出。在了解橋梁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)的前提下，把握結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的同時(shí)，還應(yīng)構(gòu)建一個(gè)良好的運(yùn)營(yíng)環(huán)境，保證結(jié)構(gòu)整體可以在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)下正常工作。

1.1 結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)存在安全隱患

（1）對(duì)于曲線梁橋，其變形表現(xiàn)為彎曲和扭轉(zhuǎn)的疊加。在均布荷載作用下，彎橋在撓度和內(nèi)力分配上，均是外邊緣大于內(nèi)邊緣。這一特征隨著曲率半徑的減少而更加明顯，因此對(duì)于小半徑曲線橋梁，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)伊始，內(nèi)外腹板的受力狀態(tài)便存在較大差異。

（2）曲線梁橋的支承反力也呈現(xiàn)出外梁變大、內(nèi)梁變小的傾向。尤其是曲率半徑小、靜荷載比較小時(shí)，內(nèi)側(cè)支座更易“脫空”或出現(xiàn)負(fù)反力。此特點(diǎn)在連續(xù)曲線梁中越發(fā)突出。

（3）曲線梁橋的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)對(duì)反力分配影響較大，在計(jì)算時(shí)不可忽視。

1.2 設(shè)計(jì)時(shí)并未引起足夠的重視

部分設(shè)計(jì)人員更加看重上部結(jié)構(gòu)的自身強(qiáng)度，至多為超載情況預(yù)留一定的安全儲(chǔ)備，而忽視了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，缺乏對(duì)其空間性能的深入了解，在設(shè)計(jì)階段就埋下了安全隱患。

1.3 超載的外因突顯結(jié)構(gòu)隱患

雖然交通運(yùn)輸業(yè)在不斷發(fā)展，運(yùn)輸?shù)男问揭沧兊枚嘣擒囕v陸運(yùn)仍舊以其“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的特性，占有極高比重和地位。而在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使下，超載現(xiàn)象頻發(fā)，并成為設(shè)計(jì)人員的“噩夢(mèng)”。經(jīng)分析，大部分的現(xiàn)狀橋梁傾覆事件，罪魁禍?zhǔn)谆旧鲜浅d車輛，對(duì)其進(jìn)行合理限制，已經(jīng)成為避免傾覆事故的重中之重。

2 曲線梁橋的失穩(wěn)病害并究其成因

近些年，曲線梁橋事故頻發(fā)。究其原因，還是穩(wěn)定性問題。各種病害發(fā)生后，并未真正得到重視，久而久之，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞。

2.1 “爬移”現(xiàn)象

“爬移” 現(xiàn)象指曲線梁橋在運(yùn)營(yíng)過程中會(huì)出現(xiàn)縱向及側(cè)向變位，并在長(zhǎng)期反復(fù)的作用下不斷地積累，造成梁體的“爬移”，從而導(dǎo)致支承體系的改變，以及伸縮縫等附屬結(jié)構(gòu)的破壞，如圖1、圖2 所示。造成其位移發(fā)生的主要外部因素包括溫度荷載、預(yù)應(yīng)力荷載、收縮徐變和汽車荷載（離心力和制動(dòng)力）等[1]。

圖1 縱向“爬移”

圖2 側(cè)向“爬移”

2.2 支座“脫空”

其主要表現(xiàn)為在車輛荷載和溫度荷載的作用下，內(nèi)側(cè)支座“脫空”，造成原有的支承體系失效，新形成的支承體系在外荷載的作用下超負(fù)荷工作。造成內(nèi)側(cè)支座“脫空”的主要原因有支承體系的抗扭剛度不足、結(jié)構(gòu)扭矩分布不合理，以及未設(shè)置拉力支座等。

2.3 支座“拉裂”

部分建成已久的橋梁，其中墩獨(dú)柱支承采用橡膠支座，在溫度荷載的作用下，梁體結(jié)構(gòu)發(fā)生徑向變位，橡膠支座在剪切作用下發(fā)生環(huán)向開裂而失效。

2.4 拉力支座破壞

計(jì)算手段的局限性和工況模擬的不周全，導(dǎo)致在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，雖然考慮到了曲線內(nèi)側(cè)支座的 “脫空”效應(yīng)而設(shè)置了拉力支座，但其拉力設(shè)計(jì)值與實(shí)際值相差較大、選用支座的不合理，最終發(fā)生了拉力支座的失效破壞。

2.5 翻轉(zhuǎn)落梁

翻轉(zhuǎn)落梁是整個(gè)支承體系超過了抗傾覆的臨界點(diǎn)，橋梁發(fā)生了失穩(wěn)的破壞，如圖3、圖4 所示。其原因多是超載車輛的偏載作用。除此之外，固結(jié)墩體系的自身強(qiáng)度不足，也有可能是發(fā)生落梁的原因之一。

圖3 直線橋落梁

圖4 曲線橋落梁

獨(dú)柱曲線梁橋發(fā)生傾覆的主要原因是梁體在外部荷載作用下，超過了梁體自身的抗傾覆力矩。通常其過程可分為以下3 個(gè)階段：

（1）當(dāng)車輛荷載較小，其產(chǎn)生的傾覆力矩小于結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩。此時(shí)各個(gè)支座正常工作，均未出現(xiàn)負(fù)反力，梁體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）隨著荷載的增大，內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)了“脫空”等病害現(xiàn)象，支承體系隨即發(fā)生變化，傾覆力矩與抗傾覆力矩相等。此時(shí)處于臨界狀態(tài)。

（3）荷載繼續(xù)增大，傾覆力矩超過了抗傾覆力矩，此時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)落梁。

因此，重視曲線梁橋的病害顯現(xiàn)、分析病害誘因，將其遏制在萌芽狀態(tài)顯得尤為重要。配合全壽命周期，為曲線梁橋建立良好的健康檔案、定期觀測(cè)其位移量和反力變化，將大大有利于對(duì)橋梁穩(wěn)定性的把控。

3 曲線梁橋傾覆軸的確定原則

研究結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，最重要的一點(diǎn)是要根據(jù)支承體系確定結(jié)構(gòu)的傾覆軸，根據(jù)自重、預(yù)應(yīng)力和汽車荷載對(duì)傾覆軸的力矩大小確定結(jié)構(gòu)的抗傾覆系數(shù)。因此，傾覆軸的確定是研究?jī)A覆問題的關(guān)鍵所在。

傾覆軸應(yīng)為“未脫空”的兩支座的連線，其位置與支座的空間布置和箱梁半徑有關(guān)，并遵循下列原則：

（1）當(dāng)整個(gè)支承體系的全部支座均位于最外側(cè)支座的連線以內(nèi)時(shí)，傾覆軸線為外側(cè)支座連線，如圖5 所示。

圖5 直線橋傾覆軸線

（2）當(dāng)跨中的所有支座位于外側(cè)支座連線以外時(shí)，傾覆軸線取為一外側(cè)支座與跨中支座的連線或跨中支座之間的連線，如圖6 所示。

圖6 曲線橋傾覆軸線

（3）同一座曲線梁橋的傾覆軸有可能不止一條，在進(jìn)行抗傾覆分析時(shí)，需進(jìn)行多工況的計(jì)算，從而選定最不利的傾覆軸。

4 計(jì)算分析

4.1 建立模型

以某工程三跨曲線梁橋?yàn)槔?，采用Midas Civil計(jì)算程序建模，重點(diǎn)考查預(yù)應(yīng)力效應(yīng)和自重效應(yīng)等主要因素對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。同時(shí)，分析在活載效應(yīng)下是否有加速結(jié)構(gòu)傾覆的趨勢(shì)，具體模型如圖7、圖8 所示。

圖7 桿系模型

圖8 桿系消隱模型

模型邊墩采用抗扭性能較好的雙支承，中墩采用多種支承計(jì)算比對(duì)，具體形式見表1。

表1 模型參數(shù)

4.2 結(jié)果分析

（1）方案一，傾覆軸如圖9 所示。

圖9 方案一傾覆軸示意圖

按照最不利荷載位置加載，曲線內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)了支座“脫空”。此時(shí)結(jié)構(gòu)根據(jù)兩條傾覆軸得到的抗傾覆系數(shù)分別為：K1=47.7、K2=15.1，此橋的抗傾覆系數(shù)為15.1＞2.5(規(guī)范值)。

（2）方案二，傾覆軸如圖10 所示。

圖10 方案二傾覆軸示意圖

按照最不利荷載位置加載，曲線內(nèi)側(cè)支座仍出現(xiàn)了支座脫空，但其數(shù)值較小。此時(shí)結(jié)構(gòu)根據(jù)三條傾覆軸得到的抗傾覆系數(shù)分別為：K1=48.4、K2=23.2、K3=85.0，此橋的抗傾覆系數(shù)為23.2＞2.5(規(guī)范值)。

（3）方案三，傾覆軸如圖11 所示。

圖11 方案三傾覆軸示意圖

按照最不利荷載位置加載下，曲線內(nèi)側(cè)支座并未出現(xiàn)支座“脫空”。此時(shí)結(jié)構(gòu)根據(jù)兩條傾覆軸得到的抗傾覆系數(shù)分別為：K1=84.9、K2=36.6，此橋的抗傾覆系數(shù)為36.6＞2.5（規(guī)范值）。

通過計(jì)算分析，預(yù)應(yīng)力效應(yīng)、溫度梯度效應(yīng)和活載效應(yīng)對(duì)曲線橋梁影響較大，在建模和分析中不可忽視。本例具有橋?qū)捿^寬、支承間距較小的特點(diǎn)，所以支座的反力在活載作用下顯得十分敏感。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，推薦采用方案三的支承形式，以曲線內(nèi)側(cè)支座不出現(xiàn)負(fù)反力為控制原則，在中墩設(shè)置抗扭支承的雙支座。

4.3 模型對(duì)比

考慮到不同的建模方式對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，本文根據(jù)方案三的支承條件，采用空間桿系單元和空間梁格單元兩種方式進(jìn)行驗(yàn)證，如圖12、圖13 所示。

圖12 梁格模型

圖13 梁格消隱模型

經(jīng)過對(duì)比，通過梁格模型計(jì)算得到的結(jié)果比桿系模型不均勻性表現(xiàn)得更明顯。所以，計(jì)算小半徑曲線梁橋時(shí)，建議采用梁格模型；計(jì)算大半徑曲線梁橋及直線梁橋時(shí)，可采用簡(jiǎn)化的桿系模型，從而提高計(jì)算的效率。

綜上所述，對(duì)于獨(dú)柱曲線梁橋，通過建立合理的空間計(jì)算模型，并運(yùn)用穩(wěn)定性理論和相關(guān)的抗傾覆系數(shù)計(jì)算公式，能夠直觀地把握各個(gè)支承體系下的結(jié)構(gòu)安全狀況。

5 曲線梁橋抗傾覆對(duì)策

雖然獨(dú)柱曲線梁橋的穩(wěn)定性受到諸多因素的影響，但可以根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)驗(yàn)算制定多種對(duì)策，從其設(shè)計(jì)伊始，為其打造具有良好穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)體系。

5.1 合理穩(wěn)定的支承體系加大抗扭能力

（1）除在梁端設(shè)置抗扭支承外，在中墩盡量采用固結(jié)或雙支承等抗扭支承形式，以加大結(jié)構(gòu)自身的抗扭性能，提高其穩(wěn)定性。

（2）在條件允許的情況下，可以將橫梁外延而加大支承間距，增大橋?qū)捙c邊支座間距比，從而降低曲線內(nèi)側(cè)支點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)反力的發(fā)生幾率。

5.2 合理的偏心距設(shè)置調(diào)節(jié)扭矩分布

（1）將中墩支座或者雙支承設(shè)置橫向（曲線外側(cè)）預(yù)偏心，提高梁端抗扭性能，防止支座“脫空”。

（2）對(duì)于大曲率的曲線梁橋，設(shè)置偏心效果甚微，可通過增加配重混凝土的方法消除支座負(fù)反力。

5.3 增加結(jié)構(gòu)的抗扭剛度

加強(qiáng)橫梁和橫隔板構(gòu)造設(shè)計(jì)，從而提高結(jié)構(gòu)的抗扭性能，降低曲線內(nèi)外側(cè)腹板的受力差異。

5.4 完備的構(gòu)造設(shè)施保障

（1）設(shè)置限位措施，有效限制曲線梁橋的徑向位移。

（2）增設(shè)必要的防落梁措施，提高梁體的穩(wěn)定性。

6 結(jié)語(yǔ)

近年來，獨(dú)柱曲線梁橋被更多地應(yīng)用于城市和公路立交建設(shè)中，關(guān)注結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性成為獨(dú)柱曲線梁橋設(shè)計(jì)的重中之重。本文旨在通過對(duì)結(jié)構(gòu)受力和典型病害的剖析，參考相應(yīng)的穩(wěn)定計(jì)算方法，合理的建模并實(shí)例分析，從而得出一些建議，為類似工程的設(shè)計(jì)提供思路和指引。