宋恒揚，李海濤

(四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

箱梁結構廣泛應用于國內外市政高架、立交樞紐、公路互通匝道等結構。為滿足通行要求，橋下空間受限時，常采用獨柱式橋墩，減少占地空間?；ネㄔ训罉蛞蚴芸v坡及線形等條件所限而體現(xiàn)出坡、彎、斜、異形等不同特點，從受力角度上，不僅具有直橋的共性，同時具有自己的特征，相對于直梁橋剪、彎作用，匝道橋在剪、彎、扭等復合作用下進行受力。常規(guī)匝道橋面寬度一般取8～15 m，曲率半徑取60～225 m之間，大部分為等高或變高預應力混凝土連續(xù)箱梁[1]。

通常情況下，匝道橋的兩端設置抗扭支座，中間采取點鉸支座或固結，或者是點鉸和抗扭混合使用。第一種支座方式在城市立交中較為普遍，優(yōu)點是中間單墩單支座占據空間小，外觀簡潔優(yōu)美。第二種支座方式主要結合實際情況，中墩采用抗扭支座，此種設置可大大改善曲線橋梁的受力，但通常占據面積較大，且外形不如單墩單支座簡潔。

近年來我國相繼發(fā)生數起匝道橋傾覆垮塌案例如表1所示，上述事故均具有相同的特征。橋梁兩端設置抗扭支座，中間進行點鉸支撐；發(fā)生事故起因均是偏心荷載作用，支座脫空，支撐體系失效，傾覆事故中，超載現(xiàn)象尤為突出；結構破壞突然，梁體傾覆后，主梁、橋墩基本完好無損，部分支座，蓋梁破壞[2]。

表1 傾覆箱梁匝道信息

1 橋梁抗傾覆計算流程

《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60—2004)只提及抗傾覆驗算，但并未給出詳細的計算公式，在《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG 3362—2018)中詳細給出了計算方法，橋梁傾覆屬于承載能力極限狀態(tài)范疇。梁體從正常狀態(tài)到傾覆破壞經歷了兩個過程。在狀態(tài)1，單向受壓支開始脫空，單向支座持續(xù)脫空；進入狀態(tài)2，箱梁抗扭支撐失效，箱梁變形發(fā)散、梁體翻轉、支座被擠出、橋墩斷裂。針對上面兩種特征狀態(tài)，進行兩種抗傾覆驗算工況驗算。

(1)基本組合下，單支座受壓。

(2)穩(wěn)定作用效應/失穩(wěn)作用效應≥2.5。

2 直、彎橋傾覆受力特性

傾覆始于支座脫空，直橋與彎橋的傾覆差異及彎橋的曲率半徑大小對其抗傾覆性能的影響[3-4]，同時溫度作用對彎橋的橫向移動的影響都是需要研究的問題。通過對比同跨徑直橋和彎橋的抗傾覆性能，同時對比不同曲率半徑的彎橋抗傾覆性能及彎橋在溫度荷載作用下的橫向爬移得出相關結論。

直橋和彎橋的支座布置形式如圖1和圖2，兩邊設置抗扭支座，中間設置單支座。

圖1 直線橋支座布置

圖2 曲線橋支座布置

研究對象為(35+35+30)m的預應力混凝土連續(xù)梁，利用有限元軟件midas Civil分別建立直橋和曲率半徑為100 m的彎橋模型進行計算分析，支座間距為3.5 m，取兩車道左偏、中心對稱布置、右偏的支座反力包絡，直橋模型的支座約束形式如圖3所示，彎橋模型的支座約束形式如圖4所示。midas Civil提取支座并發(fā)反力，用CDN對兩橋進行抗傾覆驗算。

圖3 直橋模型

圖4 R=100 m彎橋模型

注：橫坐標1～6分別代表1-1、1-2、2、3、4-1、4-2支座圖5 直彎橋支座反力對比

在狀態(tài)1，在1.0恒載+1.4車道荷載作用下，直橋最小支座反力位于1-1處，為393.7 kN；彎橋最小支座反力位于4-1處，為217.6 kN；在狀態(tài)2，直橋抗傾覆系數為2.17<2.5，彎橋的抗傾覆系數為2.01<2.5，直彎橋的支座反力如圖5所示，由以上數據可得出以下結論。

中支座反力最大，不論中支座是否固結，兩邊的抗扭支座反力較??；

直橋傾覆時梁體繞著1-1和4-1的連線，彎橋傾覆時梁體繞著1-1和2-3和4-1的連線，直橋抗力矩大于彎橋的，因此直橋的穩(wěn)定系數大于彎橋，這和計算數據是相吻合的。

由于上述兩橋狀態(tài)2的抗傾覆系數均小于2.5，將中間2#支座均換成抗扭支座，支座間距4 m，直橋的最小抗傾覆系數為8.82，彎橋為8.05，滿足規(guī)范要求。由此可知，中間設置抗扭支座(2+2+1+2模式)比中間點鉸支座(2+1+1+2模式)穩(wěn)定性更強，對梁體的橫向抗傾覆性能有很大提升，但是直橋穩(wěn)定性仍較彎橋好[5]。

取曲率半徑分別為60 m，70 m，80 m，100 m，300 m，500 m，700 m的彎橋進行抗傾覆驗算，其余條件同前，支座采用2+2+1+2模式，支座反力結果如圖6所示。

圖6 不同曲率半徑下支座反力

如圖7所示，可得到以下結論。

在1.0恒載+1.4車道荷載作用下，2+2+1+2支座模式下，支座反力基本不隨曲率半徑的變化而變化，支座反力的大小分布保持穩(wěn)定。

中間單支座反力和相鄰中墩雙支座合力基本一致，高于邊支座反力，中間使用雙支座可以降低支座反力峰值；

整體上看，曲率半徑越大，抗傾覆穩(wěn)定系數越大，在半徑為60～80 m之間，抗傾覆系數基本保持不變，在300～700 m之間，抗傾覆系數基本不變，R=70 m時的抗傾覆穩(wěn)定系數小于R=60 m的[6]。

3 溫度對彎橋的影響

杭州蕭山區(qū)工人路高架橋非機動車匝道由于溫度作用導致梁體橫向爬移，引起梁的剛體轉動，最終傾覆[7]。本節(jié)研究在整體升降溫作用和梁截面溫度正負梯度分別作用下，彎橋梁體橫向位移情況，模型仍取曲率半徑為100 m，支座約束采用2+1+1+2模式，整體升溫20 ℃，降溫20 ℃，梁截面梯度溫度按照《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)4.3.12施加，考慮橋面100 mm的瀝青混凝土鋪裝，T1=14 ℃，T2=5.5 ℃。

灰色線代表變形前梁體位置，由圖8～圖11可得到如下結論。

圖8 升溫下梁體橫向位移(單位：mm)

圖9 降溫下梁體橫向位移(單位：mm)

圖10 正溫梯梁體橫向位移(單位：mm)

圖11 負溫梯梁體橫向位移(單位：mm)

在系統(tǒng)升降溫作用下，固結的中墩位置未發(fā)生變化，梁的兩端分別發(fā)生同向的橫向位移，升溫作用下，梁體有增大曲率的趨勢，降溫則正好相反。

在梁截面溫度梯度作用下，中墩支座和邊支座處均發(fā)生橫向位移，正溫度梯度作用下，梁體有增大曲率的趨勢，在負溫度梯度下則相反。

橫向位移隨著曲率半徑的增大逐漸減小，直梁未發(fā)生橫向位移。

溫度作用下的梁體橫向位移一直是被大家所忽視的傾覆影響因素之一，因為側向約束的存在，梁體橫向位移較小，但是支座的側向約束失效，梁體將發(fā)生很大的橫向位移，中部的單支座對梁的偏心距亦增大，梁體發(fā)生剛性的轉體失穩(wěn)。

4 結 論

橋梁抗傾覆始于支座脫空，標志之一是梁體發(fā)生巨大轉角，影響傾覆的因素主要有以下幾點。

中支座脫空導致的反力重分配，邊支座反力激增；墩和梁之間存在的水平力，梁體發(fā)生轉角的時候會對墩頂產生水平力，水平力同時會增大偏心距，可能導致梁體下滑，繼而又增加墩頂的水平力，形成惡性循環(huán)；溫度作用下的梁體橫向爬移。[8]

對比分析直橋和彎橋的抗傾覆性能，得出以下結論。

中支座反力最大，不論中支座是否固結，兩邊的抗扭支座反力較小；

直橋傾覆時梁體繞著1-1和4-1的連線，彎橋傾覆時梁體繞著1-1和2-3和4-1的連線，直橋抗力矩大于彎橋的，因此直橋的穩(wěn)定系數大于彎橋，這和計算數據是相吻合的。

由于上述兩橋狀態(tài)2的抗傾覆系數均小于2.5，將中間2#支座均換成抗扭支座，支座間距4 m，直橋的最小抗傾覆系數為8.82，彎橋為8.05，滿足規(guī)范要求。由此可知，中間設置抗扭支座(2+2+1+2模式)比中間點鉸支座(2+1+1+2模式)穩(wěn)定性更強，對梁體的橫向抗傾覆性能有很大提升，但是直橋穩(wěn)定性仍較彎橋好。

對比不同曲率半徑彎橋抗傾覆性能得出以下結論。

在1.0恒載+1.4車道荷載作用下，2+2+1+2支座模式下，支座反力基本不隨曲率半徑的變化而變化，支座反力的大小分布保持穩(wěn)定；中間單支座反力和相鄰中墩雙支座合力基本一致，高于邊支座反力，中間使用雙支座可以降低支座反力峰值；整體上看，曲率半徑越大，抗傾覆穩(wěn)定系數越大，在R=60～80 m之間，抗傾覆系數基本保持不變，在300～700 m之間，抗傾覆系數基本不變，R=70 m時的抗傾覆穩(wěn)定系數小于R=60 m的。

系統(tǒng)溫度和截面梯度溫度對梁體橫向位移影響得出以下結論。

在系統(tǒng)升降溫作用下，固結的中墩位置未發(fā)生變化，梁的兩端分別發(fā)生同向的橫向位移，升溫作用下，梁體有增大曲率的趨勢，降溫則正好相反；在梁截面溫度梯度作用下，中墩支座和邊支座處均發(fā)生橫向位移，正溫度梯度作用下，梁體有增大曲率的趨勢，在負溫度梯度下則相反；橫向位移隨著曲率半徑的增大逐漸減小，直梁未發(fā)生橫向位移。

5 建 議

單支座橫向穩(wěn)定性不及雙支座，但不是說一定不能使用單支座，在條件允許下，可優(yōu)先選用雙支座，嚴禁超載現(xiàn)象。

橋梁傾覆過程中存在明顯的幾何非線性，還需進一步研究。[9]

車輛荷載分布有很大的區(qū)域性，車輛荷載形式也有較大差異，傾覆穩(wěn)定系數2.5的取值是否能涵蓋所有地區(qū)，值得深入研究。

常規(guī)的抗傾覆驗算同時需要進行上下部結構的驗算。