大跨徑連續(xù)鋼箱梁橋抗傾覆性能研究
——以武漢市某高架橋工程為例

中交城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430000

1 抗傾覆驗(yàn)算

鋼箱梁具有跨越能力強(qiáng)、施工工期短、對(duì)地面層交通影響小、自重輕等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于城市高架橋建設(shè)中，但其也存在抗傾覆穩(wěn)定性較差的問(wèn)題[1]。而且我國(guó)城市道路車(chē)輛超載現(xiàn)象嚴(yán)重、地面層布墩空間小導(dǎo)致支座間距較近、聲屏障被用于高架橋上造成橫橋向風(fēng)荷載過(guò)大等情況，使得大跨徑連續(xù)鋼箱梁的抗傾覆穩(wěn)定性問(wèn)題更為嚴(yán)重[2-3]。因此，應(yīng)重視大跨徑連續(xù)鋼箱梁的抗傾覆穩(wěn)定性。

《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）中明確了兩個(gè)抗傾覆驗(yàn)算工況：（1）在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)；（2）按作用標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行組合時(shí)，橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)kqf≥2.5。

驗(yàn)算過(guò)程中應(yīng)注意上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定效應(yīng)中的永久作用在基本組合下的分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)取1.0，并考慮橫橋向風(fēng)荷載所引起的箱梁扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，使得鋼箱梁一側(cè)支座反力變小甚至發(fā)生脫空現(xiàn)象。

2 計(jì)算實(shí)例

2.1 工程概況

武漢市某高架橋平面線位與地鐵軌道線之間夾角僅有31°，為保證橋梁樁基與地鐵隧道之間的安全凈距＞5m，采用45.5m+72m+45.5m鋼箱梁跨越地鐵軌道線。

此鋼箱梁采用單箱雙室截面形式，梁高2.9m，箱梁結(jié)構(gòu)寬17.8m，兩側(cè)懸臂長(zhǎng)3.773m。第1、3跨標(biāo)準(zhǔn)段斷面頂、底板厚16mm；第2跨標(biāo)準(zhǔn)段斷面頂、底板板厚20mm，中橫梁和端橫梁附近根據(jù)受力要求加厚；箱梁共設(shè)3道腹板，腹板板厚16mm，支點(diǎn)附近加厚。箱梁每隔3m設(shè)置1道橫隔板，板厚14mm；其間每隔1.5m設(shè)置1道腹板豎向加勁肋。橫梁支座間距均為5m，端橫梁為箱型橫梁，中橫梁為箱型橫梁。

2.2 有限元模型

利用Midas有限元分析軟件對(duì)上述大跨徑連續(xù)鋼箱梁進(jìn)行建模，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖1所示。模型單元共122個(gè)，節(jié)點(diǎn)共139個(gè)。支座上端節(jié)點(diǎn)與主梁對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)剛性連接，下端節(jié)點(diǎn)采用一般支承按照實(shí)際支座設(shè)置方式進(jìn)行模擬，支座單元按照彈性連接的剛性連接模擬。

圖1 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)分析模型荷載主要考慮結(jié)構(gòu)自重、二期荷載、車(chē)道荷載、整體升溫及降溫、溫度梯度、不均勻沉降、橫橋向風(fēng)荷載，并結(jié)合所研究的控制因素調(diào)整荷載施加大小。由于鋼箱梁截面為對(duì)稱(chēng)截面且為直線橋梁，車(chē)道荷載考慮僅布置在鋼箱梁截面一側(cè)。

3 鋼箱梁抗傾覆影響因素

文章根據(jù)改變車(chē)道荷載偏心距、車(chē)道荷載超載程度、支座間距、壓重和橫橋向風(fēng)荷載等控制因素，結(jié)合Midas模型數(shù)據(jù)，來(lái)分析大跨徑連續(xù)鋼箱梁抗傾覆穩(wěn)定性[4]。

3.1 車(chē)道荷載布載影響

比較車(chē)輛不超載、超載25%和超載50%的情況下的支座反力和抗傾覆系數(shù)，同時(shí)，比較不同車(chē)道布載偏心距下車(chē)輛超載對(duì)抗傾覆的影響程度，結(jié)果如表1所示。

表1 不同超載情況下支座反力和抗傾覆系數(shù)匯總表

由表1可知，在車(chē)道布載偏心距3.1m和7.1m的情況下，隨著超載情況越來(lái)越嚴(yán)重，支座反力和抗傾覆系數(shù)均呈減小趨勢(shì)。當(dāng)車(chē)輛靠橋梁外側(cè)行駛時(shí)，支座反力減小程度更為明顯，邊支座反力減小61.5%～123.0%，中支座反力減小15.8%～31.7%，抗傾覆系數(shù)減小11.4%～20.3%；當(dāng)車(chē)輛靠橋梁中心行駛時(shí)，邊支座反力減小11.8%～23.6%，中支座反力減小1%～2.1%，抗傾覆系數(shù)減小2.4%～4.6%。由此可見(jiàn)，不僅需要控制超載車(chē)輛超載程度，還需要嚴(yán)格規(guī)定重車(chē)、超載車(chē)輛的行駛位置。

3.2 支座間距的影響

為研究不同支座間距對(duì)鋼箱梁抗傾覆的影響，在不考慮鋼箱梁壓重的情況下，計(jì)算支座間距為4.0m、5.0m和6.0m的三種情況下非車(chē)道布載側(cè)支座反力和抗傾覆系數(shù)kqf，其結(jié)果如表2所示。

表2 不同支座間距下支座反力和抗傾覆系數(shù)匯總表

由表2可知，支座間距由4.0m增大到6.0m時(shí)，非車(chē)道布載側(cè)支座反力增大34.2%～78.2%。這主要是因?yàn)樵谲?chē)道荷載偏心作用和橫橋向風(fēng)荷載作用的工況下，鋼箱梁會(huì)產(chǎn)生一個(gè)扭矩效應(yīng)，由支座反力差與支座間距的乘積來(lái)抵消。因此，支座間距增大使支座反力差減小、非車(chē)道布載側(cè)支座反力增大。

抗傾覆系數(shù)kqf公式中失穩(wěn)效應(yīng)與穩(wěn)定效應(yīng)均與支座間距相關(guān)，抗傾覆系數(shù)隨支座間距的增大而增大。因此，合理設(shè)置支座間距對(duì)大跨徑連續(xù)鋼箱梁抗傾覆穩(wěn)定性尤為重要。

3.3 壓重的影響

因?yàn)殇撓淞鹤灾剌^輕，尤其大跨度連續(xù)鋼箱梁的邊支座容易出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，所以通常在鋼箱梁支座位置附近灌注鋼纖維混凝土進(jìn)行壓重。文章比較無(wú)壓重、僅邊支座壓重、僅中支座壓重以及邊、中支座均壓重這四種工況對(duì)鋼箱梁抗傾覆的影響情況[5]。

（1）當(dāng)鋼箱梁在無(wú)壓重的情況下時(shí)，邊支座出現(xiàn)脫空現(xiàn)象且抗傾覆系數(shù)＜2.5，不滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（2）當(dāng)僅對(duì)邊支座進(jìn)行壓重，壓重長(zhǎng)度為3.42m，鋼纖維混凝土容重為35kN/m3，可解決邊支座脫空現(xiàn)象且抗傾覆系數(shù)增大到2.78，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（3）當(dāng)僅對(duì)中支座進(jìn)行壓重，壓重長(zhǎng)度為3.5m，鋼纖維混凝土容重為35kN/m3，僅對(duì)中支座反力有增大效應(yīng)，邊支座反力大小幾乎無(wú)變化。

（4）當(dāng)邊、中支座均進(jìn)行壓重，邊、中支座反力均增大，且抗傾覆系數(shù)比僅壓重邊支座時(shí)大，增加了抗傾覆穩(wěn)定性的安全儲(chǔ)備。

3.4 橫橋向風(fēng)荷載的影響

現(xiàn)比較考慮風(fēng)荷載和未考慮風(fēng)荷載兩種工況下鋼箱梁的支座反力及抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。風(fēng)荷載大小按12kN/m來(lái)考慮，且荷載作用位置位于橋面以上3m位置。

考慮橫橋向風(fēng)荷載的作用下，邊、中支座反力分別減少了44.3%和17%，抗傾覆系數(shù)也明顯減小。這主要是由于聲屏障被廣泛用于城市高架橋上，聲屏障加大了橋梁橫橋向迎風(fēng)面積以及風(fēng)荷載作用力臂；且大跨徑連續(xù)鋼箱梁較高，自身橫橋向迎風(fēng)面也較大，使得橫橋向風(fēng)荷載在大跨徑連續(xù)鋼箱梁抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算中起到了至關(guān)重要的作用。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)超載車(chē)輛嚴(yán)重偏心行駛時(shí)，鋼箱梁支座反力和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)將明顯減小。因此，不僅應(yīng)嚴(yán)格控制車(chē)輛超載現(xiàn)象，還應(yīng)規(guī)定重車(chē)盡量靠橋梁中心位置行駛，減小失穩(wěn)效應(yīng)。

（2）支座間距對(duì)大跨徑連續(xù)鋼箱梁抗傾覆穩(wěn)定性的影響較大，加大支座間距均能增大支座反力和抗傾覆系數(shù)。在地面層有足夠布墩空間時(shí)，合理設(shè)置支座間距對(duì)大跨徑連續(xù)鋼箱梁抗傾覆穩(wěn)定性尤為重要。

（3）大跨徑連續(xù)鋼箱梁邊支座出現(xiàn)脫空現(xiàn)象時(shí)，在邊支座直接進(jìn)行壓重是解決邊支座脫空問(wèn)題最為有效的方式之一；在中支座進(jìn)行壓重可增加抗傾覆穩(wěn)定性的安全儲(chǔ)備。

（4）在驗(yàn)算大跨徑連續(xù)鋼箱梁抗傾覆穩(wěn)定性時(shí)，不可忽視橫橋向風(fēng)荷載所引起的失穩(wěn)效應(yīng)。