肖鵬程

(中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司城建設(shè)計院，湖北 武漢 430050)

近年來，連續(xù)鋼箱梁橋在城市橋梁建設(shè)中應(yīng)用越來越廣泛。鋼箱梁具有抗扭剛度大、跨越能力強、力學(xué)性能優(yōu)越、結(jié)構(gòu)本身重量輕等特點。但也由于其自身結(jié)構(gòu)輕，抗傾覆能力下降，導(dǎo)致橋梁失穩(wěn)和傾覆事故頻繁發(fā)生。因此在橋梁運行期間，有必要針對連續(xù)鋼箱梁橋的橫向抗傾覆穩(wěn)定性進行分析。目前，許多研究人員對此進行了研究。現(xiàn)有的研究主要集中在如何提高連續(xù)鋼箱梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性和提高橋梁結(jié)構(gòu)抗傾覆性能的方法，而對影響參數(shù)的研究很少，存在有一定的局限性。因此結(jié)合有限元軟件對廣州市某高架橋橫向抗傾覆性能進行研究，考慮不同橫向荷載作用位置、支座間距以及橋墩布置形式等設(shè)計參數(shù)，對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生支座負(fù)反力以及橫向抗傾覆性能進行分析，并提出合理的橋梁抗傾覆加固措施與建議。

1 抗傾覆理論

1.1 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

當(dāng)橋梁整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)橫向傾覆失穩(wěn)時，遠(yuǎn)離不平衡荷載一側(cè)的支座已經(jīng)脫空。橋梁的側(cè)向穩(wěn)定系數(shù)可以取為恒定荷載下的傾覆力矩與偏心荷載作用下的傾覆力矩之比。目前，主要通過抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)來評價橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性，并且當(dāng)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)大于2.5時，可以認(rèn)定結(jié)構(gòu)的橫向抗傾覆穩(wěn)定性良好，能夠抵抗偏載作用下產(chǎn)生的傾覆力矩。其計算公式如下

(1)

式中：為抗傾覆扭轉(zhuǎn)力矩；為傾覆扭轉(zhuǎn)力矩。

直線橋和曲線橋受力特點不同，其抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)的計算方法也有所差別，對于直橋，橋的軸線是直的，傾覆軸是支座在橋臺同側(cè)的直線。在彎橋的情況下，傾覆軸是橋臺一側(cè)的軸承之間的線或兩個橋墩上的軸承之間的線，以更側(cè)向的為準(zhǔn)。

(2)

(3)

1.2 橋梁抗傾覆破壞機理

針對橋梁結(jié)構(gòu)的橫向傾覆失穩(wěn)破壞過程，其抗傾覆破壞機理可歸納為兩種情況。

當(dāng)由于偏心荷載導(dǎo)致的傾覆力矩小于結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩時，此時支座尚未發(fā)現(xiàn)脫空現(xiàn)象，但其橫向支承受到很大的水平約束力，橋墩處于受壓和彎曲狀態(tài)。從一些以前發(fā)生過傾覆事故的橋梁結(jié)構(gòu)來看橋梁墩柱底部截面發(fā)生壓縮和彎曲破壞，使墩柱沿主梁撓度的水平方向發(fā)生較大變形，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)下降。在設(shè)計時，如果對橋墩橫向剛度考慮不周，橋墩頂部就會在偏心荷載作用下受到較大的側(cè)向推力，從而導(dǎo)致橋墩損壞。

當(dāng)由于偏心荷載導(dǎo)致的傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩時，此時離偏心荷載遠(yuǎn)端的支座都會呈現(xiàn)脫空現(xiàn)象。隨著約束系統(tǒng)的減弱，結(jié)構(gòu)的整體扭轉(zhuǎn)剛度將趨近失效，主梁的旋轉(zhuǎn)角度隨著載荷的增加而變大，在主梁繞軸線轉(zhuǎn)動下和彈性彎曲變形下的共同作用下發(fā)生失穩(wěn)傾覆。此時，偏心荷載一側(cè)的橋墩仍處于彎曲狀態(tài)。無論墩柱出現(xiàn)整體彎曲還是局部混凝土破碎，都會使得壓縮支撐角超過極限，從而造成結(jié)構(gòu)整體傾覆。

連續(xù)鋼箱梁橋橫向抗傾覆穩(wěn)定性應(yīng)當(dāng)看成是整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題。因此不能單獨以支座脫空當(dāng)作橫向穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)。要全面對比主梁傾覆力矩與抗傾覆的關(guān)系，確保墩柱在水平力作用下引起的偏心荷載的承載能力。

2 計算實例

2.1 工程概況

某在建高架橋主線全長360 m，共分三聯(lián)，跨徑組合為(3×40)+(3×40)+(3×40)m，橋?qū)?7.5 m，雙向四車道。組合梁采用預(yù)制橋面板，橋面板間通過濕接縫聯(lián)系。為控制負(fù)彎矩區(qū)橋面板應(yīng)力，通過支座預(yù)位移削減混凝土應(yīng)力。橋面板采用C50混凝土，鋼梁采用Q355C鋼材。等高組合梁梁高1 800 mm，橋面板厚250～400 mm，鋼梁梁高1 360 mm，橋面板與鋼梁間為40 mm厚環(huán)氧砂漿。

2.2 有限元模擬

組合梁計算軟件為midas Civil 2019版本，建立箱梁空間梁單元模型，采用軟件中的施工聯(lián)合截面。鋼梁橫向采用工字鋼連接，橋面板的連接采用虛擬橫梁來連接。組合梁抗彎承載力的計算應(yīng)考慮剪力滯效應(yīng)的影響，計算箱梁在腹板兩側(cè)上、下翼緣的有效寬度。經(jīng)簡單計算可得知，有效寬度可以按照全橋?qū)挾扔嬎?。全橋共?92個單元，607個節(jié)點，支座采用彈性連接模擬。結(jié)構(gòu)計算模型如圖1所示。

圖1 有限元模型圖

3 抗傾覆影響參數(shù)分析

通過改變荷載橫向作用位置、支座布置形式、橋墩布置形式等影響參數(shù)，結(jié)合有限元模型數(shù)據(jù)，對橋梁抗傾覆性能進行分析，找出重要的因素，為設(shè)計提供參考。

3.1 荷載橫向作用位置

偏載作用是橋梁出現(xiàn)失穩(wěn)傾覆現(xiàn)象的直接原因，通常把主梁橫截面當(dāng)作雙懸臂梁，當(dāng)偏心荷載作用在懸臂端時，距離荷載遠(yuǎn)端的支座勢必受到拉力的作用產(chǎn)生負(fù)反力。結(jié)合有限元模型數(shù)據(jù)分析，得到荷載橫向作用位置對抗傾覆性能的影響程度，可其計算表格如表1所示，荷載橫向作用位置與抗傾覆系數(shù)的關(guān)系見圖2所示。

表1 荷載橫向作用位置對抗傾覆性能的影響

從表1和圖2可看出，車輛荷載離主梁中心線越遠(yuǎn)，遠(yuǎn)離偏載一側(cè)的支座負(fù)反力越大，傾覆力矩也越大，抗傾覆性能下降。因此，建議在橋梁運營期間安裝道路標(biāo)志，禁止車輛占用最外層的緊急停車區(qū)或緩沖區(qū)。

圖2 荷載橫向作用位置與抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)系

3.2 支座間距

支座間距也是造成橋梁傾覆的重要原因之一。在相同的主梁結(jié)構(gòu)和偏心荷載作用下，支座間距的不同也會影響到鋼箱梁的抗傾覆性能。通常情況下，支座間距越寬，橋梁的抗傾覆力矩就越大，所以結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，其抗傾覆性能就越好。結(jié)合有限元模型，通過改變邊界條件來調(diào)整支座間距，分析支座反力變化情況，其結(jié)果表格如表2所示，支座間距與抗傾覆系數(shù)的關(guān)系見圖3所示。

表2 支座間距對抗傾覆性能的影響

由表2和圖3可知，增大支座間距后，支座負(fù)反力呈現(xiàn)減小趨勢，減小幅度也有所下降，而鋼箱梁抗傾覆穩(wěn)定性能得到提高，因此在實際工程中，通過反復(fù)分析結(jié)構(gòu)受力，盡可能的增大支座間距，可提高鋼箱梁抗傾覆穩(wěn)定性能。

圖3 支座間距與抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)系

3.3 橋墩布置形式

在城市道路高架橋和匝道立交橋中，針對不同的道路條件，通常橋墩布置形式也有所不同，目前主要有單墩單支座、單墩雙支座以及雙墩雙支座三種類型橋墩，單墩單支座因其截面剛度相對較小，且僅有單個支座，對橋梁橫向穩(wěn)定性十分不利。因此只分析單墩雙支座和雙墩雙支座對鋼箱梁抗傾覆性能的影響。在相同荷載條件下，對比橋梁抗傾覆性能，其結(jié)果表格如表3所示。

表3 橋墩布置形式對抗傾覆性能的影響

由表3可看出，在相同偏載作用條件下，單墩雙支座橋梁傾覆力矩明顯比雙墩雙支座大，抗傾覆力矩相對較小，因此在橋墩設(shè)計時，建議優(yōu)先考慮雙墩雙支座橋墩，確保橋梁上部結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆穩(wěn)定性。當(dāng)橋下道路空間條件受到限制只能采用單墩單支座橋墩時，必須采取配重或其他抗傾覆措施，提高抗傾覆力矩，同時對其壓彎承載力進行計算。

4 結(jié) 論

為確保連續(xù)鋼箱梁運營時間安全穩(wěn)定，從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度出發(fā)，通過改變荷載橫向作用位置、支座的布置形式以及橋墩布置形式等影響參數(shù)，結(jié)合數(shù)值模型分析研究引起連續(xù)鋼箱梁橫向傾覆的關(guān)鍵因素，得到以下結(jié)論。

(1)在設(shè)計時要充分考慮荷載橫向作用對橋梁傾覆的影響，降低因車輛荷載遠(yuǎn)離主梁中心線造成橋梁的抗傾覆能力就下降的風(fēng)險。同時也建議在橋梁運營期間安裝道路標(biāo)志，禁止車輛長時間占用最外層的緊急停車區(qū)或緩沖區(qū)。

(2)通過增加支座間距能夠減小支座產(chǎn)生的負(fù)反力，提高主梁橫向抗傾覆能力，因此在路面條件允許時，盡可能的增大支座間距，可提高鋼箱梁抗傾覆穩(wěn)定性能。

(3)雙墩雙支座形式橋墩有利于橋梁橫向抗傾覆，因此在橋墩設(shè)計時，建議優(yōu)先考慮雙墩雙支座橋墩，確保橋梁上部結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆穩(wěn)定性。當(dāng)橋下道路空間條件受到限制只能采用單墩單支座橋墩時，必須采取配重或其他抗傾覆措施，提高抗傾覆力矩。