连续钢箱梁桥抗倾覆分析

程伟伟

（山西路桥第六工程有限公司，山西 晋中 030600）

引言

钢箱梁自重轻、节约材料、安装工艺简单、便于养护维修、整体稳定性好，主梁一般不会出现局部破坏，主梁的受力性能和工作性能较好[1]，近年来在我国得到了快速发展，在城市立交、斜拉桥和悬索桥等大跨径桥梁中得到了广泛应用。但由于钢箱梁结构截面较薄，在承受外力作用时其内部会产生复杂的应力与形变，甚至产生畸变，会降低钢箱梁结构的稳定性能[2-3]。

1 桥梁倾覆破坏原因分析

1.1 工程概况

某高速公路立交互通体系采用连续钢箱梁结构，主梁采用单箱三室钢箱梁，桥面采用双车道设计，桥梁宽度为12.5 m。该桥梁为6 跨钢箱曲线连续梁桥，桥跨组合为（25.6+30+40+40+30+25.6） m。大部分桥跨位于曲线上，其中部分桥跨位于半径为90 m的平曲线上，部分桥跨位于半径为2 500 m的平曲线上，桥面纵坡为3.5‰，桥面横坡为-1%～ 2%。连续钢箱梁桥大部分桥跨采用等高度梁段，只有一个边跨和一个次边跨采用变高度梁。

桥梁上部结构采用单箱三室钢箱梁，梁高最小为0.9 m，最大为1.5 m。桥梁支座采用板式橡胶支座和盆式橡胶支座，桥墩结构采用圆柱形墩，桩基础采用钻孔灌注桩。通过调查，桥梁9～16 #桥墩墩身局部产生开裂，9～16 #桥墩支座产生了偏移和变形。经验算桥梁承载能力满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）要求，为了保证桥梁结构的稳定性，对连续钢箱梁结构进行抗倾覆计算，分析验算结果制定加固方案，优化桥梁结构设计。

1.2 桥梁倾覆破坏原因分析

桥梁结构的稳定性受结构组成、支承形式和外部荷载等因素的影响，由于设计不合理、维护不到位、严重超载等原因会造成桥梁出现不同程度的倾覆破坏[4]。桥梁抗倾覆验算主要是以保证桥梁上部结构稳定为出发点，保证桥梁在偏心重载作用下的稳定。因此，在进行桥梁倾覆分析前，应全面开展调查工作，确定桥梁产生倾覆破坏的原因，合理制定优化方案。

连续钢箱梁桥倾覆破坏原因：（1）桥面上部偏载所产生的倾覆力矩较小，远小于桥梁结构的抗倾覆力矩，支座支承状态良好，未出现脱空，但在桥梁上部结构的恒载和车辆荷载的综合作用下，桥梁结构长期处于偏心受压状态，局部产生应力集中引起变形破坏，进而导致箱梁结构倾覆破坏。桥墩在偏心受压的作用下，出现了局部开裂。（2）桥梁中墩支承结构设计不合理，车辆超载造成支承结构破坏。该连续钢箱梁桥原设计中墩采用单支座支承，容易产生较大的倾覆力矩。该桥梁支座虽未出现脱空现象，但已经出现了偏移和变形，一方面是由于车辆超载造成的，另一方面是由于支承结构设计不合理造成的。

2 验算工况

为了保证连续钢箱梁桥抗倾覆验算的准确性，结合桥梁运行情况，确定四种验算工况。（1）工况1：车道荷载选定为1倍城市A级荷载，按照双车道进行偏载布置。（2）工况2：车道荷载选定为1.2倍城市A级荷载，在考虑车辆普遍超载的情况下进行加载计算，按照双车道进行偏心加载。（3）工况3：车道荷载选定为1.3倍城市A级荷载，按照1.3倍均布荷载和集中荷载进行支座反力计算，按照双车道进行偏心加载。（4）工况4：车道荷载选定为3倍城市A级荷载，在考虑车辆普遍超载的情况下，按照1.2倍车辆荷载进行加载计算，按照双车道进行偏心加载。

3 桥梁体系抗倾覆分析

3.1 支座反力计算

结合桥梁设计资料，在四种验算工况下，分别在极限偏载情况下对曲线钢箱梁进行支座反力计算。连续钢箱梁桥中墩采用单支座支承，支座反力计算结果见表1。

分析表1连续钢箱梁支座反力计算结果，在四种验算工况的荷载组合出现最小值时，边墩内侧支座反力为负。这是由于本项目曲线段连续钢箱梁中墩采用单支座支承，相较于双支座支承，倾覆轴线会向钢箱梁结构内侧移动，产生的倾覆力矩也会比双支座支承大。

表1 中墩单支座支承支座反力计算结果/kN

为了进行对比分析，在中墩采用双支座支承的情况下进行抗倾覆验算，支座反力计算结果见表2。

表2 中墩双支座支承支座反力计算结果/kN

分析表2支座反力计算结果，中墩采用双支座支承时，四个验算工况支座反力计算结果均为正值，均满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）要求。9 #和16 #边墩工况四支座反力计算结果较小，支座内侧反力最小值分别为50.6 kN和60.5 kN，虽然为正值，但安全储备严重不足。因此，除了将中墩改为双支座支承外，还需要调整预偏心值。

3.2 连续钢箱梁桥结构优化

原设计桥梁中墩采用单支座支承，在四种验算工况下，支座反力计算结果桥墩内侧均出现了负值，而双支座支承支反力计算结果明显高于单支座支承，因此，该连续钢箱梁桥的优化重点是中墩支承设计。在不改变桥梁线形和主梁结构的情况下，将原桥梁中墩单支座支承改为双支座支承，并根据支座反力计算结果适当调整支承位置，以提高支座反力的安全储备，进而提高桥梁的抗倾覆能力。将预偏心值调整为0.2 m，在验算工况4下重新进行支座反力计算，与优化前的支座反力进行对比分析，绘制支座反力最大值和最小值折线图见图1、图2。

图1 优化前后工况4支座反力最大值

图2 优化前后工况4支座反力最小值

分析图1验算工况4下桥梁结构优化前后支座反力最大值对比分析结果，优化后9 #～16 #墩支座反力没有出现负值，且边墩支座反力有一定幅度的增加，受力结构进一步优化。

对比分析图2验算工况4下优化前后支座反力最小值计算结果，优化后支座反力较小的边墩有了较大幅度增加，9 #和16 #墩支座内侧反力最小值分别增加到285.6 kN和249.8 kN，安全储备增加，有效提高了桥梁的抗倾覆能力，说明该优化方案可行。

4 结语

（1）分析原桥梁支座反力计算结果，边墩内侧支座反力出现了负值，中墩采用单支座支承，也容易产生较大的倾覆力矩，需要对原桥梁设计方案进行优化。（2）分析中墩双支座支承的支座反力计算结果，四个工况下各桥墩支座反力计算结果均为正值，但个别支座反力最小值较小，需要对支座预偏心值进行调整。（3）对比分析优化前后工况4支座反力计算结果，各墩支座反力最大值和最小值均有一定幅度的提高，尤其是最小值提高幅度较大，优化后安全储备增加，优化方案可行。