小半径曲线钢箱梁桥顶推施工箱梁横向倾覆稳定性研究

车铁成，邓 涛，王 巍，龚洪苇，周越良

(1.浙江华东工程咨询有限公司，浙江 杭州 310014；2.成都理工大学 环境与土木工程学院，四川 成都 610059)

近年来，曲线桥梁体倾覆事故不断发生。例如，2019年10月10日无锡高架桥侧翻事故，2017年1月19日福建在建的龙潭特大桥右线梁体发生倾覆，给现今桥梁工作者敲响了警钟，桥梁设计不仅要满足强度要求，箱梁横向倾覆稳定性也同样重要。对此针对运营中曲线桥的箱梁横向倾覆稳定性，一些专家学者做过不同方面的研究[1-2],研究成果较为成熟。而不同于运营阶段，在顶推法施工中，桥梁的边界条件和荷载条件在各个施工阶段均在发生变化，梁体正负弯矩交替变化，抗倾覆稳定性分析更为复杂[3]。对于顶推施工曲线桥箱梁横向倾覆稳定性问题的研究，左家强[4]对半径R=500 m的预应力混凝土连续梁进行顶推施工研究，发现悬臂部分的梁体向内侧扭转，使得内侧滑道支反力大于外侧滑道支反力。黄成国等[5]采用有限元方法计算步履式顶推施工曲率半径400 m的四跨连续钢箱梁，对顶推施工中箱梁横向倾覆稳定性影响因素进行了敏感性分析。吴大宏等[6]通过对最小半径R分别为500 m和800 m的变曲率三跨连续梁的研究，基于悬臂阶段存在扭矩，在自重荷载作用下必然会产生弯扭耦合作用的影响，应用横向抗倾覆稳定性计算方法进行了验算。

前述研究顶推施工小半径曲线桥半径均在400 m以上，为了进一步研究小半径曲线钢箱梁桥在顶推施工过程中箱梁的横向抗倾覆稳定性，本文以半径R=110 m的某大桥为背景，主要考虑顶推施工荷载及自重作用，利用抗倾覆稳定性计算原理，结合MIDAS/Civil软件建立顶推施工计算模型，对不同施工阶段导梁及箱梁的支座运算，得到内外侧支座反力可计算抗倾覆系数k，以此对小半径曲线钢箱梁顶推施工箱梁横向抗倾覆稳定性评价，为此类工程施工提供借鉴意义。

1 工程概况

1.1 工程简介

某大桥共2联，采用4×20 m钢筋混凝土现浇箱梁+30 m+3×45 m+30 m等截面连续钢箱梁，最大跨径45 m，半径R=110 m。立面见图1，平面布置见图2。连续钢箱梁采用顶推施工方法，钢箱梁截面形式采用单箱双室，顶面宽9.90 m，底面宽5.22 m，梁高约2 m，底板与顶板平行。梁顶板厚16 mm，底板厚16 mm，顶板纵肋为10 m×160 mm的板肋以及300 mm×270 mm×180 mm的U型肋，底板纵肋为400 mm×240 mm×260 mm的U型肋，中腹板为10 mm×140 mm的双向板肋，边腹板为12 mm×180 mm的板肋。具体结构形式见图3。主梁不考虑纵坡的影响，材料采用Q345qc钢材,弹性模量为2.1×108kN/m2，泊松比为0.3，重度为78.5 kN/m3。为了减少主梁悬臂段的应力，主梁前端设置30 m的钢导梁，材料为Q345钢材。

图1 曲线钢箱梁桥立面图

图2 曲线钢箱梁桥平面布置图(单位：cm)

图3 钢箱梁断面结构形式示意图(单位：mm)

1.2 施工方案

施工流程图如图4所示。

图4 施工流程图

2 抗倾覆稳定性计算方法

众多学者对箱梁倾覆稳定性计算方法做了研究[7-14]。曲线桥梁的倾覆往往是从支座失效或脱空开始的[15],但现今规范并未对施工中桥梁的横向稳定性进行规定。文献[16]和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[17](JTG 3362—2018)共同规定，按式(1)、式(2)规定验算横桥向抗倾覆性能，曲线桥的受力状态如图5所示。

(1)

(2)

式中:kqf为横向抗倾覆稳定性系数,取kqf=2.5;ΣSbk,i为使上部结构稳定的作用基本组合(分项系数均为1.0)的效应设计值;ΣSsk,i为使上部结构失稳的作用基本组合(分项系数均为1.0)的效应设计值。e为荷载的偏心距，F内、F外分别为内、外侧支座的支反力，e内、e外分别为内、外侧支座距离梁体中心线的距离。

图5 截面受力示意图

3 顶推施工钢箱梁倾覆稳定性分析

3.1 有限元模型建立

鉴于弯桥的受力特点，该桥采用空间分析程序MIDAS/Civil进行模拟，计算各施工阶段支座的受力状态。导梁及主梁有限元模型均采用梁单元。图6所示阶段的有限元模型共计306个节点及60个单元。

图6 桥梁模型

计算施工过程时，采用与顶推节段相应的模式，顶推过程模拟时按主梁单元划分2.5 m向前顶推一次为一个施工工况。本次研究为了分析不同悬臂状态以及不同成桥跨数对箱梁的横向倾覆稳定性的变化特点，所以主要考虑顶推施工荷载与桥梁自重作用。由于本桥施工阶段较多，选取如图7及图8所示的特殊位置作为主要的施工阶段进行讨论箱梁的受力特点及稳定性变化。

图7 不同悬臂长度施工阶段

图8 不同成桥跨数施工阶段

3.2 悬臂长度对稳定性的影响

不同悬臂状态8#墩支座处计算结果如表1及图9所示。

由表1、图9可知：悬臂段长度对结构倾覆稳定性有较大的影响，悬臂段越长，稳定系数越小，结构抗倾覆稳定性越差；悬臂段重心位于该段支座处切线的内侧，在重力的作用下会让结构产生向内侧的扭转作用，使内侧支座反力增大，外侧减小，悬臂长度越大，产生的影响越大。当悬臂一半跨径时，抗倾覆系数尚可满足要求，但当悬臂段为全跨径时，外侧支座脱空，梁体向内侧倾覆，而悬臂2/3跨径时，稳定系数也小于2.5，因此当跨径较大时，可以增加临时墩，减小悬臂长度，以增强箱梁抗倾覆稳定性能。

表1 不同悬臂状态8#墩支座处计算结果表顶推位置

图9 8#墩、9#墩荷载偏心距与抗倾覆稳定系数随悬臂长度变化曲线

3.3 悬臂长度对已成桥梁段稳定性的影响

不同悬臂状态9#墩支座处计算结果如表2及图9所示。

表2 不同悬臂状态9#墩支座处计算结果表

由表2及图9可知：随着悬臂段长度的增加，远端支座处荷载偏心由外侧向内侧偏移；在偏向内侧之后，悬臂段越长，箱梁抗倾覆稳定性能越低。

3.4 成桥跨数对稳定性的影响

钢箱梁不同成桥跨数9#—6#墩支座处计算结果如表3—表6及图10所示。

表3 不同成桥跨数9#墩支座处计算结果表

表4 不同成桥跨数8#墩支座处计算结果表

表5 不同成桥跨数7#墩支座处计算结果表

表6 不同成桥跨数6#墩支座处计算结果表

图10 9#墩、8#墩、7#墩、6#墩荷载偏心距与抗倾覆稳定系数随着箱梁成桥跨数变化曲线

由表3—表6及图10可知：随着成桥跨数的增加，远端支座处荷载偏心距随之减小，梁体抗倾覆稳定系数增大，说明总体上随着成桥跨数的增加，箱梁有更好的横向倾覆稳定性。

4 结 论

(1) 该大桥顶推施工时悬臂段会让箱梁产生向内侧的扭转作用，使内侧支座反力增大，外侧减小，悬臂段越长，稳定系数越小，结构抗倾覆稳定性越差。

(2) 该大桥顶推施工随着成桥跨数的增加，远端支座处荷载偏心距减小，梁体抗倾覆稳定系数增大。

(3) 本次研究仅初步考虑了桥梁的自重及施工荷载作用下钢箱梁在部分不同施工阶段的抗倾覆稳定性的变化。影响梁体横向倾覆稳定的因素还有很多，例如曲率半径、风荷载、轴线偏移等。