城市匝道橋抗傾覆穩(wěn)定性及實際通行能力研究

付兆華

（山西太舊高速公路管理有限責(zé)任公司，山西 太原 030006）

0 引言

獨柱墩連續(xù)梁橋作為立交匝道橋梁，占用橋下空間小、整體結(jié)構(gòu)美觀，因此近年來在現(xiàn)行高速公路以及市政道路中的應(yīng)用非常廣泛[1]。但是這種形式的橋梁有其致命缺點即橫橋向采用單支點支撐的方式，由于橫向支點少在偏載作用下，對結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性極為不利，另外公路橋梁事業(yè)的發(fā)展速度較快，目前現(xiàn)行的公路橋梁規(guī)范中，涉及到橋梁傾覆穩(wěn)定性的相關(guān)規(guī)定缺乏，為了保證橋梁整體穩(wěn)定性，城市橋梁設(shè)計規(guī)范中雖提出了該設(shè)計要求，但未給出明確的計算方法和標準。

本文以某地區(qū)市政匝道橋為例，在結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，建立有限元模型對該橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性進行分析，根據(jù)程序計算結(jié)合行業(yè)中相關(guān)研究，對此類結(jié)構(gòu)形式抗傾覆穩(wěn)定性[2]計算方法進行驗證，并根據(jù)該地區(qū)通行的實際重型車輛，進行實際通行能力研究。

1 工程概況

依托工程匝道橋位于立交第三聯(lián)，圓曲半徑為306.25 m，該聯(lián)上部結(jié)構(gòu)為3×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，梁高1.6 m，箱梁頂板全寬9.5 m，翼緣板懸臂長 0.94 m，底板寬 6.86 m，懸臂端部厚0.15 m，根部厚0.3 m，頂板厚0.20 m，底板厚0.2～0.5 m，腹板厚0.35～0.6 m。該聯(lián)伸縮縫所處橋墩處設(shè)置蓋梁，蓋梁高1.6 m，橋墩立柱采用1根直徑1.5 m的圓柱，基礎(chǔ)采用1.8 m厚承臺，采用2根直徑1.5 m樁基，樁長41～43 m；中墩處立柱采用1根直徑1.5 m圓柱，基礎(chǔ)采用1.8 m厚承臺，采用2根直徑1.3 m樁基，樁長48 m。

設(shè)計技術(shù)標準：該橋位于城市快速路，雙向四車道，橋面設(shè)橫坡1.5%，橋涵設(shè)計荷載等級為城-A級。

2 計算依據(jù)及假定

2.1 計算依據(jù)

分析橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力時，依據(jù)《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》（CJJ 11—2011）中關(guān)于橋梁設(shè)計荷載的取值。

現(xiàn)行規(guī)范中缺乏上部結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性驗算的相關(guān)規(guī)定，本文研究依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（征求意見稿）中相關(guān)規(guī)定對依托工程的上部結(jié)構(gòu)進行抗傾覆能量計算。計算工況參照浙江省公路管理局文件浙交路〔2009〕102號文《關(guān)于橋梁上部結(jié)構(gòu)抗傾覆驗算汽車荷載的規(guī)定》。

2.2 計算假定

a）主梁及橋墩有足夠的強度，不會先于結(jié)構(gòu)傾覆產(chǎn)生強度破壞。

b）主梁及橋墩有足夠的剛度，不會先于結(jié)構(gòu)傾覆產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。

c）橋臺及橋墩支座為單向受壓支撐。

d）不考慮支座支撐面積，假定支座為理想點支撐。

2.3 荷載工況

根據(jù)要求，首先驗算以下4種工況。

a）工況一 恒荷載+城市-A級車道荷載，計算現(xiàn)行設(shè)計荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力。

b）工況二 恒荷載+1.3×城市-A級車道荷載，該工況用于計算一般超載的情況。

c）工況三 恒荷載+70 t車輛荷載，車隊縱向布置為兩車前后軸間距4.5 m，結(jié)合常見超載車型參數(shù)分析統(tǒng)計，并依據(jù)《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》（CJJ 11—2011），取單車車重為70 t的車隊荷載模擬交通荷載，車輛參數(shù)和軸距分布取值同《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》（CJJ 11—2011）。

d）工況四 恒載+1.3倍工況三荷載，模擬可能出現(xiàn)的最不利超載情況。

3 抗傾覆穩(wěn)定性分析

3.1 有限元分析模型

為了準確分析橋梁結(jié)構(gòu)的空間受力情況，采用空間梁格法[3]對該橋的上部結(jié)構(gòu)進行建模，利用Midas Civil分析軟件實現(xiàn)對橋梁上部結(jié)構(gòu)的模擬，全橋模型共劃分節(jié)點217個，單元268個。根據(jù)橋梁竣工圖紙?zhí)峁┑臉蛄呵€參數(shù)確定橋梁結(jié)構(gòu)節(jié)點坐標，結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖1所示，該橋的支座布置形式如圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)離散圖

圖2 支座布置圖

3.2 支反力計算

該聯(lián)上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋[4]，根據(jù)橋梁抗傾覆計算的分析特點，首先計算橋梁結(jié)構(gòu)在成橋狀態(tài)下的恒載支反力。然后分別對上述各工況汽車荷載進行加載，計算恒載與各工況汽車荷載作用下的支反力，支座反力計算結(jié)果見表1。

表1 支座最小反力 kN

3.3 箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計算

3.3.1 上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆分析[5]過程

a）根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和支座布置，確定傾覆軸線。傾覆軸線為單向受壓支座依次脫空，最終有效的兩支座的連線。

b）按照傾覆軸線，計算抗傾覆力矩和汽車荷載的傾覆力矩。

c）驗算上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。

該聯(lián)橋最不利的傾覆軸線為直線A，即7、8號橋墩支座連線，如圖3所示。

圖3 橋梁結(jié)構(gòu)傾覆軸線

3.3.2 各工況下穩(wěn)定系數(shù)計算

a）工況一 抗傾覆力矩為：

∑RGixi=1 334.4×0.16+674.7×2.98+956.9×5.81+1346.2×0.16+661.9×2.98+960.1×5.81=14242.15kN·m，該橋設(shè)計荷載為城市-A級荷載，該橋最大跨徑為30 m，所以 qk=10.5 kN/m，Pk=280×1.2=336 kN，傾覆力 矩 為 （1+μ）（qkΩ+Pke）= （1+0.189）×（10.5 ×189.62+336×3.22）=3 657.75 kN·m.

所以，箱梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)：

b）工況二 保持抗傾覆力矩不變，傾覆力矩為1.3倍工況一，則抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為：

c）工況三 采用特殊車列，手動加載，通過多次試算，選擇圖4加載布置得出最大加載效應(yīng)，計算抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。

該工況傾覆力矩為：

所以，箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)：

圖4 工況三車列布載

d）工況四 保持抗傾覆力矩不變，傾覆力矩為1.3倍工況三，則抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為：

各相應(yīng)工況下上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)匯總見表2。

表2 不同工況下抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

4 最大通行能力研究

由上述工況一至工況四計算結(jié)果可知，橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計荷載作用下以及最大超載情況下抗傾覆系數(shù)在工況一、工況二情況下沒有超過系數(shù)2.5，但在工況三、工況四情況下，抗傾覆系數(shù)小于2.5，所以工況三、工況四不滿足規(guī)范要求。然而在工況一至工況四荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)各墩支座均不會發(fā)生脫空現(xiàn)象，可見，橋梁支座脫空的臨近荷載與橋梁傾覆的臨界荷載有很大區(qū)別。

為了計算分析橋梁結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)（支座不脫空）[6]以及承載能力極限狀態(tài)（抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)達臨界值2.5）的實際通行最大荷載，調(diào)查了該匝道橋的交通荷載，經(jīng)統(tǒng)計和分析，白天交通量較大，但主要以小汽車為主，夜間交通量雖小，但渣土車為主要交通荷載，車輛噸位大。根據(jù)橋梁全長、最不利傾覆軸與偏載車道布置以及車輛軸距分布，結(jié)合支座反力影響線，分別定義了3種不同的實際交通車輛（單輛車車重30 t，軸距分布見圖5所示）排列成車隊過橋情況，即單車過橋、雙車過橋、三車過橋，車隊行駛車道均為最不利偏載車道，從而確定該聯(lián)橋在兩種狀態(tài)下最大通行荷載。

圖5 不同車隊過橋示意圖

工況一單車過橋計算以實際通行車輛加載，車重為30 t，抗傾覆力矩不變，因此抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為：

所以，箱梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)：

圖6 單車過橋車列布載

當(dāng)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)達到臨界值2.5時，對應(yīng)的車輛重量為：

即單車過橋時，軸距分布與30 t實際通行車輛一致，車重達149.0 t時為臨界傾覆情況。

表3 不同工況下最大通行荷載（單車車重：t）

5 結(jié)語

本文以某地區(qū)匝道橋為工程實例，針對獨柱墩連續(xù)彎橋的抗傾覆性能進行了驗算，依據(jù)規(guī)范的計算方法，并基于設(shè)計荷載定義了4種不同的荷載工況，計算結(jié)果表明車道荷載下該匝道橋的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均滿足要求，車輛荷載下抗傾覆安全系數(shù)不足；此外，以該匝道橋車輛調(diào)查數(shù)據(jù)為依據(jù)選擇實際通行較為不利的重載車型進行布載，對該車型以3種不同的工況即單車、雙車和三車過橋，橋梁發(fā)生傾覆或支座脫空時單車最不利荷載進行計算，結(jié)果表明三車同時過橋載重超載20 t時橋梁發(fā)生傾覆的可能性較大。