某連續曲線鋼箱梁橋受力與維護措施研究

夏寧

（中國鐵路設計集團有限公司，天津市 300142）

0 引言

近年來，曲線鋼箱梁因其造型簡潔流暢、自重輕、跨越能力強的優點，在城市立交橋、高架橋和高速公路匝道橋得到了廣泛的應用，但在運營過程中，曲線鋼箱梁橋存在若干值得注意的問題。一方面，在我國目前公路運營條件下，車輛超載運營現象嚴重，導致橋梁傾覆事故頻發；同時曲線鋼箱梁為薄壁閉口結構，由于荷載的增加，結構易發生側向彎曲和扭轉變形，橋梁的穩定問題應引起足夠重視。另一方面，曲線鋼箱梁橋在橋梁維護過程中，需對結構的強度和穩定問題進行研究，以保證安全運營和施工。

本文以一座三跨連續曲線鋼箱梁匝道橋為例，對其受力特性進行分析，并參照《公路鋼筋混凝土與預應力混凝土橋涵設計規范》（征求意見稿）（2012）[1]關于混凝土梁橋傾覆的條款規定，結合有限元軟件對橋梁抗傾覆穩定性給予全面的評價；對橋梁運營期間維護措施展開研究，提出相關維護措施中應注意的事項，為同類型橋梁運營及維護提供參考。

1 工程概況

某高速公路某立交A匝道橋為三跨連續曲線鋼箱梁，其跨徑組合為30 m+50 m+30 m，位于31～34號橋墩，橋寬12.0 m，鋼箱梁截面形式為單箱三室，橋跨位于A=106.066 m左偏緩和曲線和R-150 m圓曲線組成的平曲線上，緩和曲線部分橋面橫坡為6%過渡到1.89%，圓曲線部分橋面橫坡為6%。

在結合墩墩頂箱梁內底部灌有鐵砂混凝土壓重，箱梁內部縱向間隔3 m設置橫隔板。本橋下部結構采用方柱式墩，墩高19～21 m，蓋梁上設雙支座，支座間距為5.4 m。

2 有限元模型建立及抗傾覆分析

采用Midas Civil進行有限元模型計算，全橋主梁采用梁單元進行模擬，共計121個單元，146個節點。

彎箱梁位于小半徑曲線上時，曲線梁彎扭耦合受力狀態顯著，梁體外側超載，而內側卸載，導致內外側支點反力相差較大。在汽車偏載的情況下，內側支點甚至會出現負反力，若未設置抗拔支座則會導致支座脫空。當內側單向受壓支座脫空時，梁體便有傾覆的可能。由于結構傾覆前并無明顯表征，一旦發生，危害極大。因此，對該橋進行了抗傾覆穩定性驗算?？箖A覆驗算分為支反力驗算和抗傾覆系數驗算，在下面分別進行計算分析。

2.1 支反力驗算

本橋汽車荷載縱橋向按單車道、雙車道、三車道進行布載，橫橋向分別考慮外偏載、內偏載；汽車荷載加載工況分別考慮《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）[2]規定的標準車道荷載、車輛荷載及超載工況，縱向布置特別的考慮了實際中可能出現的堵車情況，具體見表1。

表1 車輛荷載加載工況

在汽車荷載中載及偏載作用下，支座豎向支反力計算結果見圖1。

計算結果表明：同一荷載工況下，邊墩支座支反力明顯小于中墩處支座支反力，且在極端超載車輛荷載作用下，邊墩支座可能最先產生脫空。在運營過程中應進行合理的交通安全組織管理，確保車輛行駛按車道劃分運行，控制超載車輛，避免出現極端車輛荷載。

圖1 車道荷載作用下支反力

2.2 抗傾覆系數驗算

箱梁橋傾覆過程是在汽車荷載的傾覆作用下，單向受壓支座依次脫空，由邊界條件失效而失去平衡的過程。判定橋梁結構抗傾覆穩定性，首先需要確定傾覆軸線，再根據傾覆軸線計算出傾覆扭矩及抗傾覆扭矩，在此基礎上進行評價?，F行規范對鋼箱梁橋抗傾覆驗算還無明確規定，《公路鋼筋混凝土與預應力混凝土橋涵設計規范》（征求意見稿）（2012）中對橋梁的抗傾覆驗算有具體規定。無論是混凝土箱梁還是鋼箱梁，均假定主梁具有足夠的強度及剛度，結構不會先于傾覆發生破壞，結構發生傾覆的力學模型相同，均是全橋繞兩支座連線的傾覆軸線而發生整體傾覆，因此本橋在傾覆驗算中采用《公路鋼筋混凝土與預應力混凝土橋涵設計規范》（征求意見稿）（2012）中的規定進行計算分析。

本橋全跨均采用雙支座。如圖2所示，考慮如下2條傾覆軸線：傾覆軸線1：邊墩(31#)外側支座與中墩（32#）外側支座的連線；傾覆軸線2：兩中墩（32#和33#）外側支座的連線。分別計算每一條傾覆軸線對應的傾覆系數。

圖2 傾覆軸線示意圖

綜合結構傾覆不先于結構延性破壞、實際運營汽車荷載與設計汽車荷載相互關系，確定箱梁橋的抗傾覆系數不應小于2.5。

在恒載和活載作用下，十種活載工況作用下，計算抗傾覆系數結果見表2。

表2 各活載工況下的抗傾覆穩定系數

計算結果表明。鋼箱梁在驗算荷載工況作用下，抗傾覆驗算均滿足規范要求；同時應注意到：驗算中考慮了汽車荷載超載的工況，抗傾覆穩定系數隨著超載水平的提高而明顯下降，當車輛荷載超載達到100%時，抗傾覆穩定系數降幅可達50%；鋼箱梁較混凝土箱梁自重較輕，所能提供的抗傾覆力矩較小，應在設計中予以重視，如采取支點處箱梁混凝土壓重，設置抗拉支座等措施，保證結構具有足夠的安全儲備。

綜上，本橋雖在極端車輛荷載作用下支座可能出現負反力，但依據規范驗算結果橋梁滿足傾覆驗算要求，因此判斷彎箱梁橋是否傾覆不能單一的考慮支座反力，應當從多方面進行綜合考慮。

3 維護措施研究

鋼箱梁橋為運營期間檢修及維護，通常在梁體表面開設檢修孔。為方便人員進出考慮，本橋在橋墩附近箱梁底板處開設檢修孔。本橋為曲線連續鋼箱梁橋，橋墩支點處鋼箱梁底板承受負彎矩作用最大，鋼板承受的壓應力最大，易產生應力集中，甚至發生局部屈曲失穩，造成安全隱患。

為保證橋梁的正常安全運營，本橋在底板檢修孔處增設局部加勁肋措施，增加檢修孔附近結構剛度；同時采用有限元軟件ANSYS對本橋檢修孔處局部應力進行分析，以保證結構在運營過程中的安全。通過建全橋ANSYS有限元模型，分別對本橋在自重+標準三車道荷載和自重+標準三車道荷載超載50%兩種荷載工況進行計算分析，兩種荷載工況下底板檢修孔局部應力云圖見圖3、圖4。

圖3 恒載+標準三車道荷載作用下應力云圖

圖4 恒載+標準三車道超載50%荷載作用下應力云圖

分析計算結果表明：在恒載+標準三車道荷載作用下檢修孔局部最大壓應力為111.8 MPa，最大拉應力為47.1 MPa；恒載+標準三車道超載50%荷載作用下檢修孔局部最大壓應力為130.1 MPa，最大拉應力為20.3 MPa，滿足規范要求。

當曲線連續鋼箱梁橋須開設檢修孔時，不僅要考慮檢修孔位置的局部應力和局部穩定問題，保證橋梁的正常安全運營；還需考慮方便人員施工和檢測。

4 結論

本文以某連續曲線鋼箱梁橋為工程背景，對該橋的受力特性、抗傾覆穩定性及后期運營維護措施展開分析與研究，主要結論如下：

（1）曲線連續鋼箱梁橋在進行抗傾覆驗算時，可分別對支反力及抗傾覆穩定系數進行驗算，由于鋼箱梁自重較輕，所能提供的抗傾覆力矩有限，故可考慮對《公路鋼筋混凝土與預應力混凝土橋涵設計規范》（征求意見稿）（2012）所規定的抗傾覆穩定系數限值適當放大，防止傾覆病害發生。

（2）綜合考慮鋼箱梁橋在運營過程中受到的各種因素影響，對可能的維護措施應早考慮，使橋梁方便維修、便于更換相關構件。