城市小半徑匝道鋼箱梁橋抗傾覆設計

章 凱 （合肥市市政設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230041）

隨著國家大力推廣裝配式建筑政策，城市快速路橋梁裝配式方案日益增多。鋼箱梁橋具有制造工藝成熟、架設方便快捷、有效縮短施工工期、適合裝配式施工等優點，在城市高架快速路特別是互通立交小半徑匝道中應用廣泛。但是小半徑鋼箱梁橋由于曲線半徑小，汽車荷載偏載大，結構本身自重小，曲線內外側支座反力差別大，支座容易脫空，極端條件下甚至傾覆，設計應充分認識其風險性，加強抗傾覆設計，通過設計手段在工程源頭確保橋梁結構安全。

1 橋梁抗傾覆設計規定

近年來，城市橋梁傾覆時有發生，造成人民生命財產損失，引起廣泛的社會關注。雖然橋梁傾覆絕大部分均是由車輛超載大幅度超過橋梁設計荷載引起，但如何提高橋梁的抗傾覆性能已是迫切需要解決的問題。業界對橋梁傾覆失穩破壞過程已充分研究，理論成熟，《公路鋼結構橋梁設計規范》已對抗傾覆作出明確規定：在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態；按作用標準值進行組合時，橫橋向抗傾覆穩定性系數不小于2.5。

2 橋梁抗傾覆措施

目前鋼箱梁橋的抗傾覆措施主要有四種方式：

①采用雙柱墩或者門式墩，增大支座間距。

②支座處設置橫向偏心，改善內外支座的不平衡受力，減小偏載效應。

③通過在支點處鋼箱梁內部配重，增加恒載支座反力，抵抗汽車偏載引起的支座負反力。

④改變橋梁結構形式，橋梁中墩與鋼箱梁固接，橋梁結構形式由連續梁調整為連續剛構體系。

在實際工程設計中，城市匝道橋由于用地條件、道路分隔帶寬度限制，雙柱墩或門式墩占地較大，且景觀效果不佳，應用較少。比較普遍的做法即采用設置橫向偏心、鋼箱梁配重和墩梁固接，在橋梁跨徑較大、曲線半徑較小時，也常采用三者組合的方式。

3 橋梁抗傾覆設計計算

本文通過實際工程案例，建立空間有限元模型，計算分析鋼箱梁橋的抗傾覆性能。

3.1 工程概況

某互通匝道平曲線半徑90m，匝道橋需跨越現狀地鐵車站，采用（40+46+40）m三跨連續鋼箱梁，匝道橋寬9m，設雙支座，支座間距2.4m，標準梁高2.2m，單向2車道，橋墩為鋼筋混凝土矩形橋墩，墩高15m，橋面為10cm雙層SMA鋪裝，鋼筋混凝土防撞護欄。汽車設計荷載為城-A級，其他荷載按照規范執行。

3.2 有限元模型

采用有限元計算軟件橋梁博士V4.2建立空間模型，鋼箱梁截面考慮縱向加勁肋，橫隔板自重采用線性荷載模擬。

因跨徑大、半徑小，經試算，僅采用設置支座橫向偏心或者配重法抗傾覆計算均不滿足規范要求，本次設計考慮多種抗傾覆措施結合設計，在橋梁端橫梁處設置20 cm向外橫向偏心并采用鋼渣混凝土配重，鋼渣混凝土容重按照40 kN/m3考慮，2個中墩與鋼箱梁固接，形成剛構體系。

圖1 全橋空間有限元模型

圖2 鋼箱梁橫斷面圖

橋梁中墩為矩形截面，中墩與鋼箱梁采用剛性連接模擬墩梁固接。端橫梁處全斷面配置鋼渣混凝土，配重段長5m，配重荷載為493 kN/m。

圖3 鋼箱梁全斷面配重

3.3 計算結果

根據有限元計算結果，該鋼箱梁端橫梁處在基本組合、標準組合下支座反力如表1所示。

表1表明，基本組合下箱梁內外側支座最小支反力差異較大，但通過抗傾覆構造措施后，箱梁內側支座始終保持受壓狀態，并有一定富余，滿足規范要求。

圖4 基本組合橋梁橫橋向彎矩圖

通過墩梁固接措施，鋼箱梁不存在傾覆情況，但圖4表明，橋墩受力較常規連續梁彎矩增加較多，橫向最大彎矩為12028.5 kN·m，受力非常復雜。

端橫梁荷載組合支反力表 表1

表2表明，設置橫向偏心后，僅考慮鋼箱梁自重和二期恒載作用，箱梁內外側支座支反力差異仍然巨大，汽車荷載偏載的內側受拉支反力標準值已超過恒載受壓支反力標準值，標準組合下，箱梁內側支座已出現受拉，支座脫空。考慮端部配重后，恒載受壓支反力增加較大，改善支座脫空效果顯著。

4 結語

部分單項荷載支反力表 表2

通過以上計算分析，小半徑連續鋼箱梁結構雖然施工快捷、結構受力性能好，但由于自重小，本身抗傾覆能力不足，需要通過增加措施，提高其抗傾覆性能，滿足規范要求。

①鋼箱梁內部配重是增加抗傾覆性能最直接的措施，施工方便，效果顯著，尤其在直線橋中，大部分僅靠配重即可解決。鋼渣混凝土由于其容重較大，性能穩定，應用逐漸廣泛。

②城市互通受用地限制，匝道采用雙柱墩條件受限，墩柱尺寸較小，建議可增設蓋梁，加大支座間距，改善支座受力狀態。

③小半徑鋼箱梁橋通過設置支座偏心，能改善箱梁內外側支座反力不平衡。建議平曲線半徑小于150 m時，設置橫向偏心。

④當墩柱高度較高時，可通過墩梁固接，改變橋梁的結構形式，橋梁則不會傾覆，但橋墩受力較常規連續梁橋變化大，設計時應充分考慮下部結構的計算分析。

⑤小半徑鋼箱梁橋偏載嚴重，橋梁越長，偏載效應越明顯，建議一聯橋長不宜超過150 m。