大跨徑連續鋼箱梁橋抗傾覆性能研究
——以武漢市某高架橋工程為例

2021-06-01 08:44:10

工程技術研究 2021年8期

中交城鄉建設規劃設計研究院有限公司，湖北武漢 430000

1 抗傾覆驗算

鋼箱梁具有跨越能力強、施工工期短、對地面層交通影響小、自重輕等特點，被廣泛應用于城市高架橋建設中，但其也存在抗傾覆穩定性較差的問題[1]。而且我國城市道路車輛超載現象嚴重、地面層布墩空間小導致支座間距較近、聲屏障被用于高架橋上造成橫橋向風荷載過大等情況，使得大跨徑連續鋼箱梁的抗傾覆穩定性問題更為嚴重[2-3]。因此，應重視大跨徑連續鋼箱梁的抗傾覆穩定性。

《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）中明確了兩個抗傾覆驗算工況：（1）在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態；（2）按作用標準值進行組合時，橫橋向抗傾覆穩定性系數kqf≥2.5。

驗算過程中應注意上部結構穩定效應中的永久作用在基本組合下的分項系數應取1.0，并考慮橫橋向風荷載所引起的箱梁扭轉效應，使得鋼箱梁一側支座反力變小甚至發生脫空現象。

2 計算實例

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，箱梁結構寬17.8m，兩側懸臂長3.773m。第1、3跨標準段斷面頂、底板厚16mm；第2跨標準段斷面頂、底板板厚20mm，中橫梁和端橫梁附近根據受力要求加厚；箱梁共設3道腹板，腹板板厚16mm，支點附近加厚。箱梁每隔3m設置1道橫隔板，板厚14mm；其間每隔1.5m設置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有限元分析軟件對上述大跨徑連續鋼箱梁進行建模，結構計算模型如圖1所示。模型單元共122個，節點共139個。支座上端節點與主梁對應節點剛性連接，下端節點采用一般支承按照實際支座設置方式進行模擬，支座單元按照彈性連接的剛性連接模擬。

圖1 結構計算模型

結構分析模型荷載主要考慮結構自重、二期荷載、車道荷載、整體升溫及降溫、溫度梯度、不均勻沉降、橫橋向風荷載，并結合所研究的控制因素調整荷載施加大小。由于鋼箱梁截面為對稱截面且為直線橋梁，車道荷載考慮僅布置在鋼箱梁截面一側。

3 鋼箱梁抗傾覆影響因素

文章根據改變車道荷載偏心距、車道荷載超載程度、支座間距、壓重和橫橋向風荷載等控制因素，結合Midas模型數據，來分析大跨徑連續鋼箱梁抗傾覆穩定性[4]。

3.1 車道荷載布載影響

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

表1 不同超載情況下支座反力和抗傾覆系數匯總表

由表1可知，在車道布載偏心距3.1m和7.1m的情況下，隨著超載情況越來越嚴重，支座反力和抗傾覆系數均呈減小趨勢。當車輛靠橋梁外側行駛時，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%，抗傾覆系數減小11.4%～20.3%；當車輛靠橋梁中心行駛時，邊支座反力減小11.8%～23.6%，中支座反力減小1%～2.1%，抗傾覆系數減小2.4%～4.6%。由此可見，不僅需要控制超載車輛超載程度，還需要嚴格規定重車、超載車輛的行駛位置。

3.2 支座間距的影響

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

表2 不同支座間距下支座反力和抗傾覆系數匯總表

由表2可知，支座間距由4.0m增大到6.0m時，非車道布載側支座反力增大34.2%～78.2%。這主要是因為在車道荷載偏心作用和橫橋向風荷載作用的工況下，鋼箱梁會產生一個扭矩效應，由支座反力差與支座間距的乘積來抵消。因此，支座間距增大使支座反力差減小、非車道布載側支座反力增大。

抗傾覆系數kqf公式中失穩效應與穩定效應均與支座間距相關，抗傾覆系數隨支座間距的增大而增大。因此，合理設置支座間距對大跨徑連續鋼箱梁抗傾覆穩定性尤為重要。

3.3 壓重的影響

因為鋼箱梁自重較輕，尤其大跨度連續鋼箱梁的邊支座容易出現脫空現象，所以通常在鋼箱梁支座位置附近灌注鋼纖維混凝土進行壓重。文章比較無壓重、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鋼箱梁抗傾覆的影響情況[5]。

（1）當鋼箱梁在無壓重的情況下時，邊支座出現脫空現象且抗傾覆系數＜2.5，不滿足規范要求。

（2）當僅對邊支座進行壓重，壓重長度為3.42m，鋼纖維混凝土容重為35kN/m3，可解決邊支座脫空現象且抗傾覆系數增大到2.78，滿足規范要求。

（3）當僅對中支座進行壓重，壓重長度為3.5m，鋼纖維混凝土容重為35kN/m3，僅對中支座反力有增大效應，邊支座反力大小幾乎無變化。

（4）當邊、中支座均進行壓重，邊、中支座反力均增大，且抗傾覆系數比僅壓重邊支座時大，增加了抗傾覆穩定性的安全儲備。

3.4 橫橋向風荷載的影響

現比較考慮風荷載和未考慮風荷載兩種工況下鋼箱梁的支座反力及抗傾覆穩定系數。風荷載大小按12kN/m來考慮，且荷載作用位置位于橋面以上3m位置。

考慮橫橋向風荷載的作用下，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面積以及風荷載作用力臂；且大跨徑連續鋼箱梁較高，自身橫橋向迎風面也較大，使得橫橋向風荷載在大跨徑連續鋼箱梁抗傾覆穩定性驗算中起到了至關重要的作用。