匝道橋抗傾覆穩定性計算與研究

李德鋒 郭威 王迪

(1.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西西安 710075;2.長安大學公路學院，陜西西安 710064;3.上海中交海德交通科技股份有限公司西安分公司，陜西西安 710075)

0 引言

匝道是連接引線與主線互通的線路，線形多為曲線。匝道橋與直線橋相比，在自重與移動荷載作用下主梁承受的扭矩要大許多。匝道橋傾覆事故時有發生，如2007年10月包頭市民族東路高架橋傾覆，2009年11月南京市內環西線南延工程匝道傾覆，為橋梁工程師敲響了警鐘。隨著交通量的日益增長，車輛荷載顯著增大，而大多數匝道橋梁較主線橋梁狹窄，自重小，車輛荷載在荷載組合中所占的比重大。因此有必要按照新的車輛荷載工況對早期設計施工的此類匝道橋進行抗傾覆穩定性驗算。

1 工程概況

沈士互通A匝道位于杭州市繞城公路東段第一合同段，南連杭甬、杭金衢高速公路，北接滬杭高速公路，中心樁號K0+396.03，橋梁起點樁號為 K0+098.17，終點樁號為 K0+693.89，全長595.72m。全橋共分為五聯，跨徑為(6×19.3)m+(6×19.3)m+(25+35+35+25)m+(6×20)m+(6×20)m。上部結構中除第三聯為預應力現澆鋼筋混凝土連續箱梁外，其余均為后張預應力混凝土空心板。

2 計算依據

按照JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范5.1條及條文解釋，主梁傾覆穩定性的計算屬于承載能力極限狀態，抗傾覆穩定性驗算應該按照極限承載力計算，因此荷載效應的組合系數按照JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范4.1.6條對承載能力極限狀態基本組合荷載效應系數的規定取值。根據彎橋的結構特點，主梁通常處于外側超載，內側卸載的受力狀態，當活載偏置時，梁內側支座甚至會產生負反力。當支座出現負反力即意味著梁底與支座面將脫空，所以支座不出現負反力是保證匝道橋不發生傾覆的重要條件。當然一個支座的脫空，可能不會引起梁的迅即傾覆，但是已經達到臨界狀態。

在相關設計規范中，均有關于禁止支座脫空的描述，因此以聯端內側支座不出現負反力作為滿足抗傾覆穩定性要求的判斷標準。

3 模型建立

本文采用Midas/Civil空間有限元軟件分別建立該匝道橋第三聯加固前后的計算模型。由于連續梁橋抗傾覆穩定性計算受橋墩影響可以忽略，故直接在主梁相應位置設立約束條件模擬支座，省去下部結構模型的建立。

3.1 主梁截面

主梁截面如圖1所示。

上緣寬13.25m，底緣寬7.25m，高3.3m。用AutoCAD 繪制出箱梁截面形狀后倒入Midas截面特性計算器中，生成Plane形式截面，計算截面特性后，導出sec文件。在Midas/Civil中可調入該截面使用。

3.2 主梁線形輸入

該橋位于A=175m至R=300m平曲線上，豎曲線要素為R=6 377m，T=114.786m。首先分別計算出平面與立面坐標，間隔為每延米一個。之后將線形按坐標輸入AutoCAD繪制多段線后導入Midas/Civil中。

平面緩和曲線坐標表達式:

其中，x，y為坐標值;A為回旋線參數;l為曲線長度。

豎曲線基本方程式為:

其中，R為豎曲線半徑;i為縱坡度。

計算模型見圖2。

3.3 支座約束模擬

彎橋的支座應使用節點局部坐標來正確模擬約束形式，本例中以順橋向為X軸，橫橋向為Y軸，設置節點局部坐標系。對于有縱坡的橋梁，固定端支座應設置在低處，這樣可將主梁自重轉化為梁體內的壓應力，相當于免費的預應力。本文驗算的匝道橋一聯4孔，聯端為雙支座，聯內支座加固前為單支座，沿橫橋向在軸線外側設10cm偏心，加固后為間距3.1m的雙支座。支座約束設置見圖3。

3.4 荷載確定

計算除恒載和汽車荷載之外，還綜合考慮了溫度荷載、支座沉降等因素。支座沉降按0.005m計;溫度按JTG D60-2004公路橋涵設計通用規范4.3.10計算;橋面靜荷載:護欄單側每延米重9.1kN/m，橋面鋪裝厚10cm;活載按2車道計算，車輛荷載尺寸及位置按JTG D60-2004公路橋涵設計通用規范4.3.1條相關規定，考慮沿橋軸線外側偏載布置;箱梁采用C40混凝土，容重取26kN/m3;車輛荷載分三種工況:工況1:JTG D60-2004公路橋涵設計通用規范公路—Ⅰ級荷載;工況2:1.3倍公路—Ⅰ級荷載;工況3:重車(1.2倍標準荷載)自定義車輛荷載(按1.2倍的規范55t車輛荷載進行加載計算，車隊縱向兩車的前后輪輪距為10m)。荷載組合系數為:1.0永久作用+1.12溫度作用+0.5支座沉降作用+1.4車輛荷載。

4 計算結果及分析

聯端內側支座支反力計算結果見表1。

表1 支反力計算結果

以上計算結果表明，加固前當車輛荷載在最不利位置加載時匝道橋聯端內側支座出現負反力。因此認為該匝道橋在加固前，在現行公路橋梁規范中的汽車荷載、超載以及重車作用下會發生傾覆。

加固后匝道橋聯端內側支座在三種移動荷載工況下均不出現負反力，并且安全儲備大，滿足抗傾覆穩定性要求。

5 結語

1)本文驗算的獨柱寬幅匝道橋加固前在現行公路橋梁規范指定的車輛荷載作用下會發生傾覆，不滿足抗傾覆穩定性要求。

2)該匝道橋加固后在聯內的墩頂設置了間距3.1m的雙支座，各車輛荷載工況組合作用下支座不出現負反力，并且安全儲備大，能夠滿足抗傾覆穩定性要求。

3)匝道橋抗傾覆穩定性與其支座偏心、橫向間距、車輛荷載與車道偏心、汽車超載程度等因素有關，此類型橋梁在計算時應謹慎、充分考慮以上因素。

[1]戴公連，李德建.橋梁結構空間分析設計方法與應用[M].北京:人民交通出版社，2001.

[2]袁攝楨，戴公連，吳建武.單柱寬幅連續梁橋橫向傾覆穩定性探討[J].中外建筑，2008(7):21-22.

[3]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[4]JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范[S].