某高速匝道独柱墩连续箱梁桥横向抗倾覆稳定性分析

李 文 杰

(广东省公路建设有限公司， 广东 广州 510000)



某高速匝道独柱墩连续箱梁桥横向抗倾覆稳定性分析

李 文 杰

(广东省公路建设有限公司， 广东 广州 510000)

针对独柱墩连续箱梁桥在汽车超载或偏载作用下横向易失稳的问题，总结了横向失稳坍塌的过程，分析了其失稳机理，然后阐述了独柱墩桥横向失稳的判别准则和计算方法，并对某高速匝道独柱墩连续箱梁桥进行分析，验算了其横向倾覆安全系数、支座脱空和支座转角，验算结果表明其横向倾覆稳定性满足安全运营的要求。

独柱墩连续箱梁；汽车超载；横向失稳；高速公路

独柱墩连续箱梁桥以其造型美观、结构轻巧、占用土地少和桥下行车视野开阔等独特优势在高速公路互通立交匝道桥和城市立交桥中得到广泛应用，但是近年来发生了多次因超载引起的桥梁横向倾覆垮塌事故，造成了巨大的人民群众生命财产损失，对独柱墩桥的应用在以下两方面引起了桥梁建设者的反思和重视，一方面必须摒弃设计时重视强度验算而忽视横向稳定性验算的传统做法，另一方面，对于已建成桥梁则需要在综合考虑远景交通量和偏载情况下进行横向倾覆稳定性验算，对于存在风险的必须进行加固，以确保其正常使用和安全。

1　桥梁横向失稳过程

桥梁横向失稳的过程一般来说首先是超载偏载作用于梁体一侧，引起梁体扭转，梁体变形导致偏载另一侧联端支座转角逐渐增大，随着荷载增加，其支座反力迅速降低直至出现负反力，脱离正常受压状态，此时支座失效或脱空而失去其支撑梁体作用，其他支座则发生支座反力重新分布，支反力重新分布过程中可能会发生支座超出其设计强度的破坏或是发生因支座转角过大而发生的梁体滑移，支座依次失效或脱空，当剩余支座位于一条直线时，此时支撑体系已不能有效约束上部结构，上部结构在超载作用下横向失稳垮塌，立柱则在垮塌梁体的巨大水平推力作用下发生破坏。如偏载超出了立柱的偏心受压承载能力，还会出现立柱先破坏，进而引起上部结构倾覆的可能性[1-6]。

支座脱空可以认为是横向倾覆过程的开始，剩余未脱空支座位于一条直线时则可以认为是横向失稳的临界状态。由此过程可以看出，桥梁横向失稳的破坏形式是上部结构作为刚性整体失去静力平衡，并不是混凝土或钢筋受力超过其极限强度的材料破坏形态。

2　桥梁横向失稳判断准则和计算方法

目前已颁布实施的公路桥梁设计规范对桥梁横向稳定性规定尚不完善，在此按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(总校稿) (下文简称《总校稿》)相关条文规定进行验算。《总校稿》)规定：横桥向倾覆安全系数应大于等于2.5，且在作用基本组合下单向受压支座要始终保持受压状态。《总校稿》中对横桥向倾覆安全系数定义如下：

(1)

其中∑Sbk,i和∑Ssk,i分别是上部结构稳定或失稳的作用标准组合的效应设计值。

由于支座具有一定体积，横向失稳过程中，支座与箱梁的接触点会由支座中心向边缘移动，也就是说倾覆轴会向外侧移动，当倾覆轴线移动到支座边缘时，箱梁横向失稳。可以看出，失稳过程有典型的非线性特征。为计算横向倾覆安全系数，首先假定如下：

(1) 桥梁的上下部结构有足够强度和刚度，不会发生立柱压弯等因材料受力超出其极限状态而破坏的其他破坏形态。

(2) 支座为只受压点支座。对于某一确定的桥梁来说，其抗倾覆能力是确定值，确定倾覆轴后，如成桥状态下一期和二期恒载对倾覆轴的稳定力矩为M0，验算活载对倾覆轴产生的倾覆力矩是Mq，则横桥向倾覆安全系数可以表示为公式(2)

(2)

式中M0可以通过建立实桥有限元模型计算出各支座反力后进而得出；采用公路-Ⅰ级荷载，则公式(2)则可以表示为式(3)和式(4)：

(3)

(4)

其中Ω是倾覆轴线与横向加载车道围成的面积；E是横向加载车道到倾覆轴线垂直距离的最大值；qk是车道荷载中均布荷载；Pk是车道荷载中集中荷载；l是桥长；e是横向最不利车道位置到倾覆轴线的垂直距离；μ是冲击系数，取值0.30；RGi是成桥状态时各个支座的支反力；xi是各个支座到倾覆轴线的垂直距离。

由上可知，计算横向倾覆安全系数首先需要选取最不利倾覆轴，它的选择直接影响力矩的计算结果。一般来说，直线桥和曲率半径很大的弯桥的倾覆轴为端部同侧支座的连线，随着曲率半径变小，弯桥的倾覆轴会出现某一端部支座和某一独柱墩支座连线、相邻独柱墩支座连线等多种情况，需要通过试算来确定最不利倾覆轴性[7-13]。

另外，因为支座脱空是横向倾覆过程的开始，为防止结构体系进入结构倾覆初始状态，则要求单向受压支座始终处于受压状态，不能出现负反力，即

fi≥0

(5)

同时，为保证支座正常工作，支座转角不能超过相关规范规定的支座转角限值，即

θi≥θmax

(6)

按照相关规范规定，对于盆式橡胶支座θmax=0.02rad，对于球形支座，θmax按不同规格分别取值0.02rad、0.03rad、0.04rad、0.05rad。

3　实桥计算

建立MIDAS有限元模型进行计算分析，支座顶部与桥墩顶部按照一般支撑模拟，支座本身采用弹性支承模拟，支座顶部与主梁采用弹性支撑模拟，混凝土重度取26 kN/m3，钢材重度取78.5 kN/m3，沥青混凝土桥面铺装重度取24 kN/m3，水泥混凝土桥面铺装重度取26 kN/m。

3.1横向倾覆安全系数验算

图1是支座的布置图，可以看出，跨中桥墩支座全部位于联端外侧支座连线的外侧，则倾覆轴线如图中所示为联端外侧支座连线。

图1支座布置和倾覆轴线图

按照公式(1)计算横向倾覆安全系数。从图1中可以读出Ω、e和xi等数据；活载作用在箱梁悬臂板上，按规范取值μ=0.30；按规范取值qk=10.5 kN/m；跨径28 m，按规范内差计算得Pk=272 kN；RGi通过MIDAS有限元模型计算得出。上述数据在表1、表2中列出。

表1　抗力Sbk计算表

表2　倾覆力Ssk计算区

3.2支座脱空和支座转角验算

利用有限元模型计算支座反力和支座转角。

引起梁体横向坍塌的直接原因是超载和偏载，为充分考虑其影响，计算时汽车荷载偏安全的取以下两个工况：

工况1：按规范规定，横桥向布置2个车道，但是车辆荷载布置于倾覆轴侧。

工况2：横桥向布置一个车道，布置于倾覆轴侧，将汽车荷载效应分项系数提高为3.4。

计算工况1和2下支座反力，计算工况2下的支座转角，计算计算结果分别见图2～图4。

图2　工况1支反力计算结果

图3　工况2支反力计算结果

图4工况2支座转角计算结果

由图1和图2可知，在两种活载工况下，最小支反力均是出现在联端支座，最大支反力均是发生在独柱墩支座。工况1联端左侧两支座支反力分别是625.9 kN和644.2 kN，独柱墩支座反力是6 408.1 kN；工况2联端左侧两支座支反力分别是92.6 kN和296.7 kN，独柱墩支反力是6 354.5 kN，都没有出现负反力，支座未脱空。

由图3可知，中间独柱墩支座是盆式支座，θmax=0.02 rad，其最大转角<0.02 rad，支座未失效。

4　结　论

(1) 横向倾覆过程开始于支座脱空，剩余未脱空支座位于一条直线时是失稳临界状态。它的破坏形式是上部结构作为刚性整体失去静力平衡，并不是混凝土或钢筋受力超过其极限强度的材料破坏形态；

(2) 通过建立有限元模型，对H匝道大桥第八联在相关工况下横向失稳系数、支座脱空和支座转角计算得出，该桥抗倾覆能力满足安全运营要求，不需要加固。

[1]肖汝诚．桥梁结构体系[M]．北京：人民交通出版社,2013．

[2]项海帆.世界大桥的未来趋势——2011年伦敦国际桥协会议的启示[J].桥梁，2012(3):1-6.

[3]中华人民共和国交通部.公路桥涵设计通用规范：JTG D60-2004[S].北京：人民交通出版社，2004.

[4]史贤豪.偏载作用下独柱墩梁桥的倒塌机理研究[D].杭州:浙江工业大学,2014．

[5]黄国勇,兰长青.墩梁固结独柱墩桥梁抗倾覆分析及加固设计方法[J].公路交通科技：应用技术版，2011(12)：23-25．

[6]陈玉珂.独柱墩连续梁桥受力性能分析用[D].成都：西南交通大学，2013.

[7]梁峰.三跨独柱梁桥抗倾覆能力研究[J].公路,2009,(10):40-43.

[8]李盼到,张京,王美.独柱支撑梁式桥倾覆稳定性验算方法研究[J].世界桥梁,2012,40(6)：52-56.

[9]中华人民共和国建设部．城市桥梁设计规范：CJJ 11-2011[S]．北京：中国建筑工业出版社,2011.

[10]沈璐,邱文亮.大跨度斜拉桥索塔锚固区环向钢束预应力损失分析与试验研究[J].水利与建筑工程学报,2016,14(2):99-102.

[11]李红霞,吴骏.某连续刚构桥开裂原因分析及加固设计[J].水利与建筑工程学报,2013,11(6):180-185.

[12]许莉,赵素雅,郑圣基.连续箱梁桥车辆荷载效应研究[J].水利与建筑工程学报,2015,13(3):17-23.

[13]李星新，任伟新，钟继卫．西南山区高速公路桥梁标准疲劳车辆荷载研究[J].振动与冲击,2012,31(15):96-100.

[14]鲍卫刚,周泳涛.预应力混凝土梁式桥梁设计施工技术指南[M].北京:人民交通出版社,2009.

[15]聂建国，周萌．基于多尺度模型的自锚式钢箱梁悬索桥主缆锚固区受力性能研究[J].土木工程学报，2014,47(6)：57-69．

[16]谢文,孙利民．超大跨斜拉桥顺桥向地震损伤分析与控制[J].建筑科学与工程学报，2014,31(4):58-66.

Analysis on the Horizontal Stability of a Single Column Pier Continuous Box Girder Bridge on an Expressway

LI Wenjie

(GuangdongProvincialHighwayConstructionCo.Ltd,Guangzhou,Guangdong510000,China)

Focusing on the problem of horizontal stability of single column pier continuous box girder bridge subjected to vehicle overloading or eccentric loadings, the whole process of horizontal instability was summarized and the instability mechanism was analyzed. And then the screening criteria and the computing method was expounded. Integrating with a single column pier continuous box girder bridge on certain expressway, the lateral sensitivity stability coefficient and bearing separation and bearing angle was calculated, the check calculation shows that the horizontal stability can meet the bridge safety operation.

single column pier continuous box girder bridge; vehicle overloading; horizontal stability; expressway

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.044

2016-03-20

2016-05-18

李文杰(1983—)，男，山东滨州人，硕士，工程师，主要从事高速公路建设和运营管理工作。 E-mail：442113935@qq.com

U45

A

1672—1144(2016)04—0226—04