小半径曲线连续梁桥抗倾覆稳定性分析

王宇琪

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

0 引言

我国经济社会的快速发展对交通运输行业的安全发展提出了更高要求，业内对连续梁桥抗倾覆稳定设计及验算日趋重视，国内正式颁布的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)(以下简称《新规范》)也针对桥梁抗倾覆验算的计算方法进行了较大调整[1-2]。

连续梁桥独柱墩设计成为桥梁侧翻事故中被广泛关注和探讨的焦点之一，在道路线形、立交净空等各种限制因素影响下，小半径曲线桥梁及独柱墩设计常被采用，近些年在进行新建桥梁设计时，尽管已尽量避免采用单支点支撑体系，但对既有单支点支撑连续梁桥的抗倾覆稳定验算及加固设计也变得尤为重要。

1 桥梁抗倾覆设计原理

正式颁布的《新规范》关于抗倾覆稳定性的内容与《征求意见稿》中有较大调整，《征求意见稿》中，取梁体最易发生倾覆的两支点连线作为倾覆轴进行计算；《新规范》采用2个特征状态作为抗倾覆验算工况，特征状态1为在作用基本组合下，单向受压支座开始脱离受拉；特征状态2为箱梁的抗扭支承全部失效，结构处于受力平衡或扭转变形失效的极限状态；在进行支座脱空验算时，《新规范》采用作用组合由标准组合提升为作用基本组合；《征求意见稿》中抗倾覆计算仅考虑汽车荷载，而《新规范》中要求同时考虑汽车荷载、风荷载、温度荷载等所有可变作用[3]。

对既有桥梁进行抗倾覆稳定验算须满足《新规范》要求，支座不得出现负反力处于脱空状态，且抗倾覆稳定系数满足规范要求。抗倾覆稳定系数的计算公式如下：

其中，kqf为横桥向抗倾覆稳定性系数；∑Sbk,i为使上部结构稳定的效应设计值；∑Ssk,i为使上部结构失稳的效应设计值[1]。

2 桥梁抗倾覆设计示例

2.1 工程概况

某高速公路互通式立交匝道桥，梁顶板款9.60m，桥面净宽8.50m，桥梁全长为256.0m，本桥平面处于缓和曲线及半径为200m的圆曲线内。上部结构采用(3×25+4×25+3×25)m预应力混凝土连续箱梁，箱梁采用单箱单室断面，梁高1.4m。下部结构采用肋板台桩基础、柱式墩及Y墩桩基础，其中第二联4#～6#墩设置连续单支座，匝道桥单支点横断面图及支座平面布置图如图1、图2所示。

图1 匝道桥单支点横断面图

图2 第二联支座平面布置示意图

2.2 加固措施

针对本桥抗倾覆加固设计，采取了如图3所示加固措施。该桥4#墩～6#墩为独柱墩，考虑其中5#墩如若采取加固措施后，侵占建筑限界，本桥处理4#、6#墩。即在4#、6#桥墩墩顶增设混凝土盖梁，在单支座两侧设置板式橡胶支座，当梁体承受巨大偏载有倾覆倾向时，新增支座受压起到抗倾覆作用，提高结构横向抗倾覆稳定性。

图3 独柱墩处理示意图

2.3 原结构抗倾覆验算

如图4所示，利用《桥梁博士V4.2.0》建立有限元计算模型，按照实际结构形式进行建模，计算在自重、二期、预应力等永久作用下各支座竖向支反力，在车道偏载作用下各支座最不利反力及每个支座产生最不利反力时其余各支座相应并发反力值，计算结果如表1所示，进行支座脱空验算及抗倾覆稳定系数计算，计算结果如表2、表3所示。

图4 匝道桥桥梁博士计算模型

表1 原桥抗倾覆验算(竖向支反力汇总)

表2 原桥抗倾覆支反力验算(特征状态1)

表3 原桥抗倾覆稳定系数验算(特征状态2)

从上述表中可以看出，原设计该桥的支座脱空验算及抗倾覆稳定系数验算均不满足《新规范》要求，在车道偏载作用下，内侧支座3-2、7-2支反力为-137.6kN、-135.18kN，产生拉应力，支座脱空，结构抗倾覆稳定性系数为1.40小于规范要求2.5，可见原设计结构有倾覆风险，需要加固。

2.4 加固后抗倾覆验算

根据《新规范》，对加固后匝道桥的抗倾覆稳定性进行验算，验算结果如表4～表6所示。

从表4～表6中可以看出，采取加固措施后，支座脱空验算满足要求，中支座横桥向抗倾覆稳定系数提高到5.86和5.91，满足新规范中对抗倾覆稳定系数的要求。说明本桥加固方案合理有效，提高了其抗倾覆稳定性能，且具备一定安全储备。

表4 加固后结构抗倾覆验算(支反力汇总)

表5 加固后结构抗倾覆支反力验算(特征状态1)

表6 加固后结构抗倾覆稳定系数验算(特征状态2)

3 桥梁抗倾覆稳定性影响因素分析

桥梁结构发生倾覆的实质是在车道偏载作用下，梁体围绕轴线产生横向转动，此时梁体自重作为有利荷载参与抗倾覆[4-5]。通过模型计算，分析平曲线半径、边支座间距以及单支座预设偏心位置对小半径曲线梁抗倾覆稳定性的影响[6-7]。

3.1 平曲线半径的影响

对于小半径曲线桥梁，不同曲线半径直接影响桥梁结构内外侧恒载差，在汽车、温度、风载等活载作用下，曲线半径对结构横向抗倾覆稳定性产生明显影响。利用桥博模型，分别对边支座间距为4.4m和4.0m的直线桥、平曲线半径R为400m、350m、300m、250m、200m、150m、100m的主梁结构进行支座脱空验算及抗倾覆稳定系数计算。抗倾覆稳定性系数随曲线半径变化如图5所示。

图5 抗倾覆稳定性系数随曲线半径变化图

从图5中可以看出，抗倾覆稳定系数随曲线半径呈抛物线变化，当支座间距为4.4m时，增大半径后抗倾覆系数由0.41提高到1.94，当边支座间距为4.0m时，抗倾覆系数由0.22提高到1.73，曲线半径较小时，抗倾覆稳定系数随着曲线半径减小快速降低。显然对于小半径曲线梁，半径越小，倾覆风险越大，直线桥梁相对与小半径曲线桥抗倾覆稳定性更高，故在进行桥梁设计时，可以通过合理增大曲线半径提高结构的抗倾覆稳定性能。

3.2 边支座间距的影响

分别对半径R为200m、300m、400m时，边支座间距为3.6m、3.8m、4.0m、4.2m、4.4m、4.6m、4.8m、5.0m的主梁结构进行支座脱空验算及抗倾覆稳定系数计算。不同半径曲线梁支座脱空验算结果如表7～表9所示，抗倾覆稳定性系数随边支座间距变化图如图6所示。

表7 支座脱空验算随边支座间距变化表(R=200m)

表8 支座脱空验算随边支座间距变化表(R=300m)

表9 支座脱空验算随边支座间距变化表(R=400m)

图6 抗倾覆稳定性系数随边支座间距变化图

从表7～表9中数据可以看出，对于半径R为200m、300m、400m的曲线梁，当边支座间距控制在5.0m、4.2m、3.8m以上时，支座脱空验算即满足规范要求，可见增大边支座间距可以有效改善小半径曲线梁支座脱空情况。从图6可以看出，当边支座间距由3.6m增大到5.0m后，对于曲线半径R为200m的曲线梁，抗倾覆系数由1.01提高到1.71，系数增大0.70；对于曲线半径R为300m的曲线梁，抗倾覆系数由1.35提高到2.06，系数增大0.71；对于曲线半径R为400m的曲线梁，抗倾覆系数由1.53提高到2.25，系数增大0.72。抗倾覆稳定系数随边支座间距增大基本呈线性，增大值随半径增大略有提高。可见在进行小半径曲线桥梁结构设计时，可以通过合理增大边支座间距来提高结构的抗倾覆性能。

3.3 单支点支承偏心设置的影响

分别对半径R为200m和400m时，单支座设置偏心位置距梁中心线距离为0(不设偏心)、0.25m、0.5m、0.75m、1.0m、1.25m、1.5m的主梁结构进行支座脱空验算及抗倾覆稳定系数计算。计算结果如图7所示。

图7 抗倾覆稳定性系数随设置偏心位置变化图

从图7中可以看出，当曲线半径R为200m时，增大偏心设置后抗倾覆系数由0.95提高到1.40，系数增大0.45；当曲线半径R为300m时，增大偏心设置后抗倾覆系数由1.28提高到1.75，系数增大0.47；当曲线半径R为400m时，抗倾覆系数由1.45提高到1.94，系数增大0.49。抗倾覆稳定系数随单支座偏心预设位置基本呈线性变化，系数增大值随平曲线半径增大而增大，故在进行小半径曲线桥梁结构设计时，可以通过合理增大单支座预设偏心提高结构抗倾覆稳定性。

4 结语

通过结合某独柱墩加固工程实例进行建模计算，得出以下结论：

(1)对于既有单支撑桥梁，可通过增设支座进行加固，支座脱空及抗倾覆稳定性系数验算均可满足《新规范》要求。

(2)抗倾覆稳定系数随平曲线半径呈抛物线变化，曲线半径较小时，抗倾覆稳定系数随曲线半径减小快速降低。在进行小半径曲线桥梁设计时，可通过合理增大曲线半径提高结构的抗倾覆稳定性能。

(3)调整边支座间距可以改善支座脱空，结构抗倾覆稳定系数随边支座间距增大基本呈线性增大，增大值随平曲线半径增大略有提高。

(4)抗倾覆稳定系数随单支座预设偏心增大而线性提高，且提高值随平曲线半径增大而增大，可通过合理增大单支座预设偏心提高结构抗倾覆稳定性。