大跨徑鋼箱梁橋抗傾覆穩定性分析

凌冬

作者簡介：凌?冬（1969—），高級工程師，主要從事公路橋梁設計工作。

文章基于某高速公路互通匝道鋼箱梁橋工程實例，根據大跨徑梁橋的受力特性，結合現行橋梁規范要求，利用有限元橋梁分析理論，通過對橋梁最不利位置進行模擬分析，選擇合適的特征點，針對支座脫空以及結構傾覆進行驗算，對大跨徑鋼箱梁橋抗傾覆穩定性進行計算分析，并提出了保障橋梁安全的相應措施。

大跨徑；鋼箱梁橋；抗傾覆；穩定性

U448.21+3A541903

0?引言

目前，我國道路運輸車輛超限超載的現象十分普遍，因此導致橋梁傾覆事故時有發生，對行車安全構成了極大的威脅［1］。鋼箱梁因其自重小、強度高、施工快捷等優點，已成為熱門橋型之一［2］，但其抗傾覆穩定性較差的問題仍然困擾著工程界［3］。根據以往的交通安全事故進行分析，除施工質量問題導致橋頭路基承載力不足進而引發鋼箱梁傾覆外，其抗扭支承失穩與結構自身穩定性不足同樣是橋梁傾覆破壞的主要原因［4-5］。為了保證大跨徑梁橋的安全性，應重視其抗傾覆設計。

近年來，眾多專家學者對大跨徑鋼箱梁橋抗傾覆穩定性問題進行了大量的研究。肖鵬程［6］通過對橋梁橫向抗傾覆性能的研究，綜合考慮了不同橫向荷載作用位置、支座間距以及橋墩布置形式等設計參數，分析了支座反力以及橫向抗傾覆性能，并給出了相應的抗傾覆加固方案。孫軍等［7］為了研究鋼箱梁橋在彎道結構中的抗傾覆穩定性，采用單箱梁和帶臨時加固設備的雙箱梁進行數值模擬，并對其支承反作用力進行了計算。吳玉華等［8］采用有限元方法對大跨度連續箱梁進行了應力分析，在此基礎上，提出了橋梁側向穩固措施。王泉宇等［9］利用曲梁理論公式對簡支超靜定曲梁的支承反力進行了分析，并以支座間距為依據分析了內、外支座的反作用力，最后以支座是否達到規范中所要求的穩定系數為標準來評估橋梁的穩定性與抗傾覆性。耿君君［10］采用了有限元的方法，對連續梁橋進行了抗傾覆穩定性分析，并對其受力和傾覆之間的關系進行了研究，同時探討了偏心度對梁橋抗傾覆穩定性的影響。

本文以廣西那平高速公路一聯大跨徑連續鋼梁橋為工程背景，按照鋼梁成坡原則（頂板隨路面橫坡設置，底板水平布置，坡度變化通過腹板高度變化實現）分析了大跨徑梁橋傾覆破壞機理與其抗傾覆穩定性的影響因素，并提出了這類結構的設計方案。

1?傾覆破壞機理

橋梁結構穩定性受其結構組成、支承形式和外部荷載等因素的影響，由于設計不合理、維護不到位、嚴重超載等原因會造成橋梁出現不同程度的傾覆破壞［11］。由于橋梁上部結構受到極端偏心活荷載作用，結構自身的恒載效應不足以抵抗偏載產生的傾覆效應，導致上部結構繞某側支點發生轉動，最終引發上部結構傾覆破壞［12］。針對橋梁上部結構的傾覆破壞，其破壞機理按其抗傾覆力矩大小可分為以下兩種情況：

（1）當抗傾覆力矩大于活荷載（偏載荷）時，支架不會發生脫空，但是當荷載增大，梁體會發生扭轉，水平反作用力會增大，導致橋墩與梁間產生橫向位移。在主梁扭轉的角度大于臨界點時，將使主梁與支座分離。在墩頂水平力較大的情況下，若墩柱的橫向剛度及承載力不夠，很可能會使橋墩發生變形，造成上部結構的落梁。

（2）當抗傾覆力矩小于活荷載（偏載荷）時，支架會產生脫空，使橋梁結構失去穩定，從而使梁體在旋轉和垂直彈性彎曲的聯合作用下發生傾覆［13］。

連續鋼箱梁橋的橫向抗傾覆穩定性應視為整體結構的穩定性問題，不能將支座脫空作為衡量橫向穩定性的判據。在進行抗傾覆穩定安全系數計算時，必須將主梁傾覆力矩與支座脫空前的轉動力矩，和傾覆力矩與橋梁抗傾覆能力進行對比，以確保主梁在不對稱變形和轉動下產生的扭力（即最不利荷載）符合要求。既要保證主梁在不對稱變形和轉動情況下不發生傾覆，還要確保墩柱、連續鋼箱梁橋與主塔間的相對位移滿足規范要求。因此，本文結合某大橋的工程概況及實際工程案例，對連續鋼箱梁橋橫向抗傾覆穩定性進行研究。

2?工程背景

廣西那平高速公路那坡樞紐互通某匝道橋跨越既有高速公路，由于既有高速公路需為“四改八”預留空間，且不允許在中央分隔帶上立墩，匝道主橋采用（45+60+45）m連續鋼箱梁的結構形式，匝道橋平曲線半徑為130 m，橋面寬10.5 m，設置6%超高橫坡，橋梁橫斷面布置為1.7 m（懸臂）+1.8 m（箱寬）+3.5 m（箱間）+1.8 m（箱寬）+1.7 m（懸臂）=10.5 m，下構為雙柱式墩，柱間距5.6 m。如圖1所示。

主梁采用分離式的兩箱單室鋼箱梁，單個箱寬1.8 m，懸臂長度為1.7 m。兩個箱室中心間距為5.3 m，鋼主梁中心線為平行于道路中心線的曲線。主梁梁高2.6 m。鋼梁設置實腹式橫隔板，橫隔板標準間距為4.5 m；隔板間設置框架式加勁板，標準間距為1.5 m。主梁之間橫梁均采用實腹橫梁，腹板厚16 mm，如圖2所示。鋼梁頂板板厚16 mm，腹板板厚16 mm，底板寬度為1.9 m，兩側各懸出50 mm，底板板厚16 mm/22 mm，鋼梁底板在中支點位置加厚處理，外側支座向外側偏移30 cm。如圖3所示。

3?有限元建模

進行鋼主梁整體強度、剛度、疲勞驗算分析時，采用有限元橋梁設計軟件橋梁博士4.4進行模型建立。計算模型采用單梁模型計算，主要計算參數為：

空間分析計算模型如圖4所示，橋梁抗傾斜分析工況如表1所示。

4?抗傾覆分析

從傾覆機理來看，上部結構的傾覆不僅是由于單純的失穩，而是由于支座脫空后垂直反作用力重新分布造成的強度破壞。因此在設計中除了滿足規范中要求的抗傾覆穩定性系數外，還需要滿足在最不利荷載作用下支座不出現脫空。在《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG3362-2018）［14］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，使鋼箱梁一側支座反力變小甚至發生脫空現象。

4.1?支座抗傾覆特性分析

一般情況下，由于橋墩的受力不均，即上部出現偏載，且隨偏載增加，其扭力也隨之增加，超過一定值后，就會出現一個孔洞。通常，支座不僅會受到車輛荷載、溫度效應、預應力效應的影響，也會受到非均勻沉降等因素的影響。因此，梁橋的設計要充分考慮各種不利條件，以保證支架在任何條件下都不會脫落［15］。

根據規范要求，通過有限元模擬軟件計算基本組合下的最小支反力，計算結果如表2所示。

該方法將單梁有限元模型劃分為幾個小單元，并用“直代曲”方法求解，總長度略小于曲線弧長，總體外力（縱向和扭矩）略有變化，但基本不會受到影響。根據有限元模型，各節點的最小基礎支反力遠大于支反力所容許的應力值，并且在基本的組合下，該支座仍然能夠承受較大的壓力，不會產生孔隙，滿足設計要求。該橋有限元模型的劃分中，由于結構密度較大，兩者的計算誤差都在一定的范圍內，因此對梁橋進行有限元分析時，應使其具有較強的穩定性。

4.2?橋梁梁體抗傾覆特性分析

根據規范要求，通過有限元模擬軟件計算支座豎向力及進行抗傾覆驗算，計算結果如表3所示。

由表3有限元計算結果可知，連續梁在不同位置布設偏心作用的設計荷載時，失穩效應下在0-1、0-2、1-2、2-2、3-1以及3-2附近出現負反力狀況，穩定效應下則不存在負反力情況，最不利位置與現實分析基本相同。從穩定系數分析結果可以看到，當失穩效應＞0時，穩定系數為100，其他情況下，穩定性系數均＞2.5，滿足規范中對抗傾覆穩定性的要求。

以上計算結果表明，該橋梁設計中各項抗傾覆穩定性指標均符合規范規定。但由于該橋跨徑較大，平曲線半徑較小，雖然在支點設置了壓重的條件下最小支反力未出現負值，但抗傾覆穩定性系數最小值4.65與規范值2.5較為接近。為避免受超載車輛影響，提高鋼箱梁抗傾覆穩定性，設計在橋梁內側設置減震抗拉球形支座，杜絕支座脫空現象，充分保障結構的安全性與穩定性。

5?結語

近幾年來發生傾覆事故的橋梁多數為采用了獨柱墩或是雙支座間距較小的結構，且為整體式箱型結構的長橋。本文針對某大橋連續鋼箱梁橋橫向抗傾覆穩定性進行了分析，提出相應措施以提高其抗傾覆穩定性：

（1）橋梁內部配重能夠很好地解決鋼箱梁結構自重小的問題；（2）采用雙箱單室結構、適當增加支座間距可提高橋梁橫向抗傾覆穩定性；（3）在內部支點上設置減振和抗拉式支承，可防止在偏心超載下發生支承脫空。

分析結果可知，當橋梁完工后，隨著使用狀況的增長，其承載力不會出現脫空，而整體連續梁也能達到穩定要求。

參考文獻

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