小半徑彎梁橋抗傾覆加固分析

文／河北省高速公路京滬管理處 姜濤

由于彎梁橋能很好地適應橋址周圍地形地物限制，并且曲線本身線條平順流暢，符合城市景觀需求，也能為安全行車提供保障，因此彎梁橋得到了快速發展，尤其在高速公路互通式立交和城市交叉口立交匝道橋上得到了廣泛應用。

但彎梁橋，特別是中支座為獨柱墩的連續彎梁橋的自身結構特點，決定了其抗傾覆性能要比其他線型的橋梁差很多，中支座為獨柱墩的連續彎梁橋在恒荷載或活荷載作用下會出現彎扭耦合現象，即在外荷載及曲率的作用下豎向彎曲時會產生扭轉，從而導致梁體撓曲變形。如果支座布置不恰當，會導致橋臺的內外側支座的反力分布不均勻，有曲線外側變大、內側變小的傾向，內側甚至會產生負反力，從而引發支座脫空的現象，進一步發展就會產生傾覆。如2009年7月津晉高速連續獨柱墩匝道彎橋傾覆，2014年12月重慶市盛唐立交G匝道傾覆，都給人民生命財產帶來了巨大損失。因此，對于橋梁，特別是中支座為獨柱墩的小半徑連續彎梁橋的抗傾覆驗算必須引起高度重視。

圖1 津晉高速連續獨柱墩匝道橋傾覆

目前的橋梁設計規范《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2012）對橋梁的抗傾覆性有明確的強制性要求且要求支座不應出現脫空現象。在實際設計中，應保證橋梁支座不出現脫空，這確保了橋梁不會發生傾覆；但在某些情況下，由于車輛并不總按照規范規定的位置行駛和載重，可能會使彎橋外側的偏心壓力加大，傾覆概率增加。

為防止小半徑且中墩為獨柱墩的連續彎梁橋發生類似事故，人們一般在中支座徑向增加支撐以作為抗傾覆預防措施，如圖2所示。為評價該抗傾覆措施的有效性，本文以某實際彎梁橋為背景，開展了極限加載情況下的抗傾覆計算，并比較了加固處理前、后的抗傾覆穩定系數及脫空情況。分析結果可為類似工程的加固處理提供了技術參考。

圖2 彎橋防傾覆加固獨柱墩

1 抗傾覆計算方法

對于中墩為獨柱墩的三跨小半徑連續彎梁橋，當跨中橋墩全部支座位于橋臺外側支座連線外側時，傾覆軸線取為一橋臺外側支座和跨中橋墩支座連線。另外，由參考文獻[4]可知，小半徑彎梁橋的傾覆軸位置，通常是兩個中墩支座相連的直線。此彎橋的傾覆軸的位置以及傾覆軸與最外側車道所圍的面積如下如圖3所示。為計算得出最不利情況，本文對上述兩種情況分別進行了分析。

圖3 小半徑彎橋傾覆軸示意圖

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2012），將其中的設計車道荷載變為極限車輛荷載，即可得出曲線梁橋在極限車輛荷載情況下的抗傾覆穩定系數的計算公式，見下式(1)：

式中：m—沖擊系數；RGi—成橋狀態時各個支座的支反力；χi—各個支座到傾覆軸線的垂直距離；Pkj—極限車輛荷載的輪重；ej—極限車輛荷載的輪重到傾覆軸線的垂直距離。

2 抗傾覆性能評價

2.1 背景工程

河北省某市有一座三跨單箱雙室連續匝道彎橋，其半徑r=75m，跨徑l=25m，橋面寬w=11m，梁高h=1.2m，其橫斷面如圖4所示，其支座平面見圖5。在津晉高速連續獨柱墩匝道橋坍塌后，為了保證該橋在極端情況下的抗傾覆能力，對其進行了加固處理。加固處理的方式是在中墩處增加徑向外側支座，處理后的支座平面如圖6所示。

圖4 橋梁橫斷面（單位：m）

圖5 加固處理前的彎梁橋支座布置（單位：m）

圖6 加固處理后的彎梁橋支座布置（單位：m）

2.2 加固處理前的抗傾覆穩定系數

在圖4 a)中，陰影面積為212.1m2，支座A1距傾覆軸3.9m，支座B1距傾覆軸20.1m，B2距傾覆軸17.1m，B3距傾覆軸5.7m。圖4 b)中陰影面積為281.3m2，支座A1和B1距傾覆軸9.4m，支座A2和B2距傾覆軸5.8m。用Midas Civil軟件建立該彎橋的有限元模型，通過模態分析，可得此彎梁橋的結構頻率f=1.6Hz，對應沖擊系數為μ=0.07。

津晉高速公路匝道橋的坍塌是由于5輛載重貨車逆行進入橋體，遇車右拐后使橋體重心偏移，瞬間發生坍塌。為模擬該極端情況，本文據此在圖3中陰影區域施加5輛單車總重為600kN的汽車荷載。與圖3對應的兩種汽車布載情況如圖7所示。

圖7 加固前極端布載情況示意圖

由Midas計算可得成橋狀態時各個支座的支反力如表1所示。

表1 各支座受力數值

由公式(1)及表1可得圖3a)與圖4b)的抗傾覆穩定系數分別為：

此時，g＜2.5不滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2012）中關于傾覆系數應大于等于2.5的規定。在這種極端汽車荷載作用下，該彎梁橋有發生傾覆的風險。因此，需要對其進行加固處理。

2.3 加固處理后的抗傾覆穩定系數

為減小該橋的傾覆風險，本文在沿彎橋兩個中墩的徑向位置延長蓋梁，在延長蓋梁上額外增加兩個支座。加固方式如下圖8所示，新增支座距原支座2m。

圖8 加固后橋墩及傾覆軸位置示意圖

由Midas計算可得成橋狀態時各個支座的支反力如表2所示。

同理，由公式(1)及表2可得圖3a)與圖4b)的抗傾覆穩定系數分別為：

表2 加固處理后各支座受力數值

此時，滿足了《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2012）中關于傾覆系數應大于等于2.5的規定。即，在這種極端汽車荷載情況下，該橋亦不會發生傾覆。由此可知，此加固方法可行。

3 小結

通過本文分析，可以得出以下結論：

1) 既有彎梁橋在極端荷載情況下，抗傾覆穩定系數有不滿足要求的風險，必須采用加固處理措施。

2) 在方便施工和降低加固處理成本的前提下，建議采用本文所示的處理方式。即在中墩徑向增加附屬支撐，可有效提高其抗傾覆穩定系數。

[1]梁峰. 三跨獨柱連續梁橋抗傾覆能力研究[J].公路,2009(10)

[2]莊慶泰.連續鋼箱梁橋整體穩定及抗傾覆性能研究[D].長安大學, 2013

[3]曾愛. 高速公路匝道橋抗傾覆能力研究[D]. 重慶交通大學, 2013

[4]王文龍.混凝土箱梁橋抗傾覆性能和增強措施研究[D].重慶： 重慶交通大學碩士學位論文, 2015

[5]章建偉, 謝麗民. 曲線梁橋支座反力分析[J]. 浙江建筑, 2010(06)

[6]康鳴雷.小半徑鋼筋混凝土曲線梁橋的支座設置[J].中國市政工程，2007(06)