平面為曲線與直線相接時小半徑匝道橋梁抗傾覆研究

孫 林

(中國核工業華興建設有限公司 南京市 210000)

隨著經濟的快速發展，城市之間通過高速路的連接愈發緊密，在此過程中，大型互通建設應運而生，在互通建設過程中，小半徑匝道橋的地位至關重要，且多以現澆連續梁橋為主。在橋梁的施工過程中及運營使用期間，如果發生橋梁結構的整體傾覆問題，將造成嚴重的安全事故以及巨大的經濟損失，產生惡劣的社會影響。因此，研究橋梁的抗傾覆問題意義重大。

以某實際工程為背景，當橋梁平面線形采用曲線與直線相接時，對比分析了不同影響因素下橋梁的抗傾覆穩定性問題，研究結果可為類似項目提供重要參考。

1 工程簡介

以某實際工程為背景，某一聯匝道現澆梁跨徑采用3×25m，平面線形為圓曲線接直線段，如圖1所示。箱梁結構采用單箱單室的現澆連續箱梁，箱梁高度采用1.8m，箱梁寬度9.0m，支座間距為2.3m。箱梁支座的平面布置如圖2所示。

圖1 箱梁平面布置圖(R=60m、100m、150m、200m)(單位：m)

圖2 箱梁支座橫向布置(單位：cm)

2 建立有限元模型

采用有限元軟件MidasCivil及Civil Designer進行建模與計算分析，共建立20個對比模型。全橋共建立單元77個，節點94個，支座位置按實際位置設置。車道按曲線外側偏心加載，橋梁汽車荷載按照《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)施加。全橋結構模型如圖3所示。模型計算時計入車輛離心力及橫橋向扭矩影響，使抗傾覆計算結果更加可靠。支座平面布置及支座編號如圖4所示。

圖3 全橋有限元模型

圖4 橋梁支座布置及編號

3 抗傾覆驗算結果

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)，持久狀況下，梁橋不應發生結構體系改變，并應同時滿足下列規定：

(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，整體式截面簡支梁和連續梁的作用效應應符合下式的要求：

∑Sbk,i/∑Ssk,i≥kqf

式中：kqf—橫橋向抗傾覆穩定性系數，取=2.5；

∑Sbk,i—使上部結構穩定的效應設計值；

∑Ssk,i—使上部結構失穩的效應設計值。

下面就影響抗傾覆穩定性的幾種因素，給出模型的計算結果。

3.1 固定支座布置情況及曲線半徑的大小對橋梁抗傾覆的影響

在現澆箱梁的設計中，一般在一聯當中只設置一個固定支座，由于本聯橋梁平面線形為曲線段接直線段，線形比較特殊，所以首先研究固定支座布置位置對橋梁抗傾覆的影響。現假設固定支座的位置為3#(曲線段)和5#(直線段)，曲線段半徑分別采用60m、100m、150m、200m，通過模型研究橋梁的抗傾覆性能，分析結果云圖詳見圖5、圖6，本文涉及模型較多，只給出兩個模型計算結果，不一一累述。橋梁支座反力及抗傾覆系數見表1及表2。

圖5 固定支座在曲線段且曲線半徑為200m時橋梁支座最小支反力

圖6 固定支座在直線段且曲線半徑為200m時橋梁支座最小支反力

表1 固定支座在曲線段時不同曲線半徑下橋梁支座最小支反力與抗傾覆系數表

表2 固定支座在直線段時不同曲線半徑下橋梁支座最小支反力與抗傾覆系數表

由表1及表2對比可知，當曲線半徑在100m以下時，橋梁的固定支座放在直線段時，對橋梁支反力是有利的，但由于曲線半徑較小，橋梁抗傾覆結果均為不通過，需要通過其他方法解決；橋梁的曲線半徑大于100m時，固定支座位置對橋梁支反力和抗傾覆系數的影響均不明顯。同時表1和表2均表明，平面曲線段的曲線半徑越大，對橋梁抗傾覆越有利。

3.2 支座偏移量及曲線半徑對橋梁抗傾覆的影響

現假定固定支座位置放在直線段，同時給予支座不同的偏移量，再查看曲線半徑不同時橋梁的抗傾覆性能，計算結果見表3及表4。

表3 偏移量20cm時不同曲率下橋梁支座最小支反力與抗傾覆系數表

表4 偏移量40cm時不同曲率下橋梁支座最小支反力與抗傾覆系數表

3.3 不同超載工況下橋梁抗傾覆的影響

為研究不同超載情況下，此類橋梁的抗傾覆性能，現假設平面曲線段的半徑采用150m，橋梁支座的橫向偏移量采用30cm。根據具體的運營情況，現假定采用4種不同大小的汽車荷載參與組合[1-2]，計算結果如表5所示。

表5 不同荷載工況下橋梁支座最小支反力與抗傾覆系數表

工況1：1倍公路-Ⅰ級車道荷載；工況2：1.5倍公路-Ⅰ級車道荷載；工況3：2倍公路-Ⅰ級車道荷載；工況4：3倍公路-Ⅰ級車道荷載。

由表5可知，車輛超載的情況越嚴重，橋梁的支反力及抗傾覆系數減小的越明顯，從而對橋梁的安全使用造成極其不利的影響。

4 結論

以某實際工程中某一匝道橋為背景，利用Civil Designer有限元軟件建模并進行相關分析，研究了曲線半徑大小、固定支座位置、支座偏移量和車輛超載程度對橋梁平面線形采用曲線與直線相接時小半徑匝道橋梁抗傾覆性能的影響。得出的結論如下：

(1)當橋梁線形為曲線與直線相接時，固定支座位置應盡量放置在橋梁的直線段，尤其是當曲線半徑較小時，可使橋梁支反力的分布更安全合理。

(2)在橋梁支座間距離相對較大的情況下，橋梁曲線段的曲線半徑越大，對橋梁的抗傾覆性能越有利。因此，在橋梁工程的設計過程中，對于互通匝道橋等平面線形為曲線的橋梁，其曲線半徑應盡量加大。

(3)橋梁支座橫向位置相對于橋梁中心的偏移量對橋梁的抗傾覆性能影響明顯。實際工程中，在橋梁支座間距受限的情況下，可以通過調整支座橫向位置，改變支座偏移量的方法增加橋梁的抗傾覆穩定性。

(4)橋梁抗傾覆性能對車輛超載程度較為敏感。當汽車重量達到正常車載的2倍時，本例中橋梁支座已經出現負反力，安全隱患較大。所以，在橋梁的運營期，對車輛的限載也極其重要，為確保橋梁安全，應嚴禁超載。