獨墩變截面箱形橋梁橫向穩定性分析

■拜 杰

(新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院，烏魯木齊 830006)

1 前言

隨著大跨徑橋梁及城市高速立交數量的迅猛發展，考慮到汽車通行量和經濟方面等因素，高速匝道、引橋多采用多跨連續變截面箱形梁橋，橋面大多為寬幅，通常下部結構采用獨柱墩設計。 這種結構設計既增加了橋下路面的通行高度， 又有利于提高汽車通行量和駕駛員行車視野，同時也比較經濟美觀。但是由于中間梁橋橋墩通常為獨墩單支座或固結， 在橋面板抗扭上未形成有效的支撐，使得橋梁的整體穩定性較差，很容易由于超載發生事故。 2019 年10 月10 日晚，江蘇無錫312 國道一座高架橋發生橋面側翻事故，近百米的一段梁橋坍塌，致使兩輛裝載扎鋼卷大貨車墜橋，事故當日造成3 人死亡、2 人受傷，引起極大的社會影響，事故現場如圖1 所示。

圖1 無錫高架橋橋面側翻事故現場

類似的事故還有很多，從這些事故中我們可以看出，事故的原因多是因為超載偏心而引起的橋體傾覆。 但對于變截面箱形梁橋在多種載荷工況下的變形扭轉機理認識不到位；設計人員設計方案考慮不周，往往側重于縱向分析，未能從“空間”、“整體”角度進行全面分析；結構設計方案不合理這些問題都會對橋梁的穩定性造成影響，一定要引起各方的注意。

2 橋梁橫向穩定評價

2.1 規范要求及重視程度不足

現行的 《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)中3.6.8 對于寬幅橋梁安裝支座要求保證其上下傳力面保持水平，不得有脫空的支座[1]。 但缺乏對于橋梁橫向的穩定性及對可能發生的傾覆的穩定性系數的明文規定，沒有強制性要求進行復核驗算。盡管18 公路混凝土規范實施中加入了抗傾覆驗算，但設計院反應及重視程度不夠，缺少對重車或特殊荷載作用下的驗算， 不能給相關養護及管理部門提供參考。

2.2 獨墩箱型橋梁分類

獨墩支撐梁式橋根據受力性能及破壞形式， 可將其分為3 種類型：①中墩與主梁固結獨墩支撐梁式橋，簡稱中墩固結獨柱式支承梁式橋； ②中墩與主梁采用支座連接的直線獨墩支承梁式橋， 簡稱中墩鉸接直線獨墩支承梁式橋； ③中墩與主梁采用支座連接的曲線獨墩支承梁式橋，簡稱中墩鉸接曲線獨墩支承梁式橋。

由于上述三種獨墩式梁橋中間獨墩的布置類型不同，使得橋梁在發生穩定性破壞時，特征也不相同。 ①類中墩固結獨墩式支承梁式橋由于橋墩與橋底板固結，增加了箱型梁截面橫向穩定剛度， 使得橋墩基礎橫向部分加入到了橋梁橫向穩定性中去；②、③類中墩鉸接支撐梁式橋設置單支點時則考驗懸臂壓重，偏心荷載作用，對梁體的抗扭強度和剛度要求大。如果抗扭剛度不夠，會發生梁體扭轉，然后獨墩單支座容易發生側滑，端支點處支座將產生脫空現象，橋梁結構整體發生傾覆失穩。

3 扭轉傾覆分析

3.1 變截面箱型連續梁橋荷載下的扭轉分析

變截面箱型連續梁橋在恒載作用下， 跨中截面的正彎矩最大，在設計中往往作為最不利截面進行荷載布載。當有偏心活載的作用下， 最不利的跨中截面又受到扭矩的作用，使得跨中部分箱梁產生彎扭耦合作用。由于變截面箱梁在跨中部分截面變化不大， 可以在跨中部分近似為部分等截面箱梁，如圖2 所示。

圖2 變截面箱梁相對范圍簡化模型

在邊界約束條件下進行車道軸重荷載加載， 觀察其軸線方向所受應力。 因約束正應力的變化而引起的剪應力勢必引起截面翹曲。隨著荷載的加重，引起整個梁體的橫截面方向變形增大。 當橋型為2.2 節中①類中墩固結獨墩式支承梁式橋時， 墩柱基礎的橫向強度為整體橫向穩定主要考慮方面；當橋型為2.2 節中②、③類中墩鉸接支撐梁式橋時， 支座的穩定性及翹曲后支座橫向摩擦是整體穩定平衡的主要因素。 當翹曲程度過大或扭矩過大時會造成支座轉動角超限而破壞或是支座的脫空產生負的支座反力，嚴重時會引起橋梁整體或局部的傾覆。在實例概況分析中將重點討論此類變形的受力情況， 并分析具體的影響因素。

3.2 工況簡化模型軟件模擬分析

本文引入一立交閘道橋， 其中一聯為三跨預應力混凝土變截面連續薄壁箱梁橋，橋跨部分為30+50+30m。橋全寬度9m，有效寬度8m，中間梁橋墩為單支座支撐，邊支墩為兩個支座。箱梁在橋墩橋臺上設置橫隔板，起到抗剪作用。 以實體單元SOLID65 建立模型，以0.5m 為一個單元劃分網格，工況加載時荷載組加載到相應節點上。圖3 為工程梁橋上部結構建立的模型示意圖， 表1 所示為此橋梁相應結構具體參數。

圖3 工程實例梁橋上部結構模型

表1 橋梁結構參數

本文按照最不利偏載單列布置。考慮最大偏心作用，只在獨柱墩主梁之間的最外側加載。按照公路規范公路I級荷載組合，引入三種工況荷載，分別為(1)公路橋涵設計通用規范 中公路-I 級車道荷載(qk=10.5kN/m,Pk=360kN)，(2)2 倍公路-I 級車道荷載，(3)3 倍公路-I 級車道荷載。 將三種工況在已有的橋梁簡化模型上進行ANSYS 軟件加載計算，得到在荷載作用下橋梁的結構變形圖，尤其是查看不同工況產生的扭轉下， 約束正應力和切應力產生變形對薄壁箱梁的影響。 圖4、5 為工況一下箱形橋變形位移圖。

圖4 工況一下箱形橋變形位移圖(橫向)

由橫向和縱向的位移變形圖可知， 此箱形梁隨著荷載的增大， 在約束扭轉作用下截面翹曲的程度會不斷地增大，剪應力數值也不斷地增加。圖形中的等截面梁在數值上基本符合烏曼斯基閉口薄壁直桿約束扭轉理論。 但由于在工程實際當中產生變形的原因機理較為復雜，相應理論建立不夠完善， 對于荷載作用于變截面箱梁變形時各應力之間是否完全符合相應理論的解析解還有待進一步的完善與充實。

圖5 工況一下箱形橋變形位移圖(豎向)

3.3 橋梁整體穩定性驗算方法分析

在3.2 工程實例的基礎上， 將從整體角度驗算橋梁橫向穩定。對于不同的車道工況荷載，我們可以同時考察在荷載作用下， 橋梁整體在受到偏心荷載扭轉作用下的端部支座，尤其是內側端支點支座的受力情況。通過對上述工程實例箱形梁橋的整體計算， 我們可以從宏觀更加清晰地得出橋梁橫向穩定情況。 并且分析出影響此類橋梁橫向穩定的各個因素及所占的比例。從而分清主次，提出更好的解決措施。 下表2 為三種車道工況荷載作用下箱梁端支座的受力計算過程及結果表， 在表2 最后引入橫向傾覆穩定系數(穩定作用的結構重力／傾覆作用的汽車荷載)，如下表2 所示。

從表2 中我們可以得出相應規律及影響此類橋梁橫向穩定的因素。

(1) 隨著橋梁在超出公路-I 級車道荷載并逐漸增大時，內側端支座反力逐漸減小，但并非完全是線性變化。如圖6 所示，隨著車道荷載超載倍數的增加，內側端支座總反力的變化情況。

表2 三種工況荷載支座傾覆穩定驗算結果

圖6 車道荷載與內側端支座反力變化

從圖6 中可以看出當車道超載按比例變化時內側端支座總反力并非按比例減小。當超載倍數由1 增至2 時，內側端支座總反力降幅變化不大。 但當超載倍數達到2倍以上時，內側端支座總反力降低很快，其中橫向傾覆穩定系數亦呈曲線變化。 與18 公路混凝土規范要求的2.5倍傾覆驗算系數基本一致。

(2) 結構自重在抵抗箱體整體扭轉中占很大的比重，在三種工況中所占比例約為69%～77%。說明結構本身重量在抵抗扭矩時的重要性， 要求設計人員在選擇行車量變化較大橋梁路段時的材料上要謹慎。尤其是鋼箱梁，雖然可以極大地加快施工速度， 但其自重顯然沒有混凝土箱梁重，需要進行整體穩定性的驗算。

(3)邊跨與中跨的比例也在一定程度上影響著支座反力的變化，一般情況下，邊跨與中跨的比例范圍為0.8:1到0.5:1。 兩者之間每個端支座的分配率由等跨徑時的5.72%減少為2.74%， 此時結構將處于更加不安全的狀態。所以需要根據實際情況考慮跨徑比例，提高橫向穩定系數。

(4)從表2 中可以看出，橫向支座間距的布置對提高抗扭性有一定作用。 間距越小，抗傾覆力矩越小，傾覆力距也越大，越不安全。現行規范并沒有嚴格規定相應橋型支座橫向布置距離。所以在不影響整體結構的情況下，可以適當增加端支座間距或增加支座受力面積以增大抗傾覆扭矩，提高橫向傾覆穩定系數。

中間獨墩支座在抵抗扭矩上作用不大， 中間支點為單支座時，不負擔扭矩。 當橋梁的自重較小，行車量較大時可以考慮利用將中間獨柱墩設為寶瓶式橋墩或在獨柱上加設蓋梁或牛腿設計，蓋梁上設置多支點，共同參與箱梁抗扭，可以極大提升橋梁橫向穩定性。

4 結語

橋梁屬于技術科學，是以力學、材料學、經濟學、概率論為技術基礎支撐的應用技術。 橋梁在設計、施工、使用上應嚴格執行相關技術規范和法律法規。 本文在結合計算機軟件并進行多工況驗算的情況下得到以下結論：

(1)箱型梁在約束扭轉作用下截面翹曲的程度會隨著荷載的增大不斷的增大， 剪應力也會相應增加。 利用ANSYS 軟件簡化模型施加偏心荷載得到的計算結果大致符合烏曼斯基閉口薄壁直桿約束扭轉理論。 考慮變截面等其他因素，在后續研究中仍需進一步完善。

(2) 通過3.2 節中不同工況荷載整體穩定驗算結果，影響此類橋梁橫向穩定因素如自重、跨徑比例、支座間距的程度及所占比例在數值上各不相同。 在橋梁設計中應注意各因素影響程度大小，分別加以考慮。

(3)在超載倍數的增加與支座變化影響圖6 中可以看出，當超載倍數由1 增至2 時，內側端支座總反力增幅變化不大。但當超載倍數達到2 倍以上時，內側端支座總反力降低很快；其中橫向傾覆穩定系數亦呈曲線變化，下降會加快，必須引起工程技術人員足夠重視。