大跨径连续钢箱梁桥抗倾覆性能研究——以武汉市某高架桥工程为例

中交城乡建设规划设计研究院有限公司，湖北 武汉 430000

1 抗倾覆验算

钢箱梁具有跨越能力强、施工工期短、对地面层交通影响小、自重轻等特点，被广泛应用于城市高架桥建设中，但其也存在抗倾覆稳定性较差的问题[1]。而且我国城市道路车辆超载现象严重、地面层布墩空间小导致支座间距较近、声屏障被用于高架桥上造成横桥向风荷载过大等情况，使得大跨径连续钢箱梁的抗倾覆稳定性问题更为严重[2-3]。因此，应重视大跨径连续钢箱梁的抗倾覆稳定性。

《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）中明确了两个抗倾覆验算工况：（1）在作用基本组合下，单向受压支座始终保持受压状态；（2）按作用标准值进行组合时，横桥向抗倾覆稳定性系数kqf≥2.5。

验算过程中应注意上部结构稳定效应中的永久作用在基本组合下的分项系数应取1.0，并考虑横桥向风荷载所引起的箱梁扭转效应，使得钢箱梁一侧支座反力变小甚至发生脱空现象。

2 计算实例

2.1 工程概况

武汉市某高架桥平面线位与地铁轨道线之间夹角仅有31°，为保证桥梁桩基与地铁隧道之间的安全净距＞5m，采用45.5m+72m+45.5m钢箱梁跨越地铁轨道线。

此钢箱梁采用单箱双室截面形式，梁高2.9m，箱梁结构宽17.8m，两侧悬臂长3.773m。第1、3跨标准段断面顶、底板厚16mm；第2跨标准段断面顶、底板板厚20mm，中横梁和端横梁附近根据受力要求加厚；箱梁共设3道腹板，腹板板厚16mm，支点附近加厚。箱梁每隔3m设置1道横隔板，板厚14mm；其间每隔1.5m设置1道腹板竖向加劲肋。横梁支座间距均为5m，端横梁为箱型横梁，中横梁为箱型横梁。

2.2 有限元模型

利用Midas有限元分析软件对上述大跨径连续钢箱梁进行建模，结构计算模型如图1所示。模型单元共122个，节点共139个。支座上端节点与主梁对应节点刚性连接，下端节点采用一般支承按照实际支座设置方式进行模拟，支座单元按照弹性连接的刚性连接模拟。

图1 结构计算模型

结构分析模型荷载主要考虑结构自重、二期荷载、车道荷载、整体升温及降温、温度梯度、不均匀沉降、横桥向风荷载，并结合所研究的控制因素调整荷载施加大小。由于钢箱梁截面为对称截面且为直线桥梁，车道荷载考虑仅布置在钢箱梁截面一侧。

3 钢箱梁抗倾覆影响因素

文章根据改变车道荷载偏心距、车道荷载超载程度、支座间距、压重和横桥向风荷载等控制因素，结合Midas模型数据，来分析大跨径连续钢箱梁抗倾覆稳定性[4]。

3.1 车道荷载布载影响

比较车辆不超载、超载25%和超载50%的情况下的支座反力和抗倾覆系数，同时，比较不同车道布载偏心距下车辆超载对抗倾覆的影响程度，结果如表1所示。

表1 不同超载情况下支座反力和抗倾覆系数汇总表

由表1可知，在车道布载偏心距3.1m和7.1m的情况下，随着超载情况越来越严重，支座反力和抗倾覆系数均呈减小趋势。当车辆靠桥梁外侧行驶时，支座反力减小程度更为明显，边支座反力减小61.5%～123.0%，中支座反力减小15.8%～31.7%，抗倾覆系数减小11.4%～20.3%；当车辆靠桥梁中心行驶时，边支座反力减小11.8%～23.6%，中支座反力减小1%～2.1%，抗倾覆系数减小2.4%～4.6%。由此可见，不仅需要控制超载车辆超载程度，还需要严格规定重车、超载车辆的行驶位置。

3.2 支座间距的影响

为研究不同支座间距对钢箱梁抗倾覆的影响，在不考虑钢箱梁压重的情况下，计算支座间距为4.0m、5.0m和6.0m的三种情况下非车道布载侧支座反力和抗倾覆系数kqf，其结果如表2所示。

表2 不同支座间距下支座反力和抗倾覆系数汇总表

由表2可知，支座间距由4.0m增大到6.0m时，非车道布载侧支座反力增大34.2%～78.2%。这主要是因为在车道荷载偏心作用和横桥向风荷载作用的工况下，钢箱梁会产生一个扭矩效应，由支座反力差与支座间距的乘积来抵消。因此，支座间距增大使支座反力差减小、非车道布载侧支座反力增大。

抗倾覆系数kqf公式中失稳效应与稳定效应均与支座间距相关，抗倾覆系数随支座间距的增大而增大。因此，合理设置支座间距对大跨径连续钢箱梁抗倾覆稳定性尤为重要。

3.3 压重的影响

因为钢箱梁自重较轻，尤其大跨度连续钢箱梁的边支座容易出现脱空现象，所以通常在钢箱梁支座位置附近灌注钢纤维混凝土进行压重。文章比较无压重、仅边支座压重、仅中支座压重以及边、中支座均压重这四种工况对钢箱梁抗倾覆的影响情况[5]。

（1）当钢箱梁在无压重的情况下时，边支座出现脱空现象且抗倾覆系数＜2.5，不满足规范要求。

（2）当仅对边支座进行压重，压重长度为3.42m，钢纤维混凝土容重为35kN/m3，可解决边支座脱空现象且抗倾覆系数增大到2.78，满足规范要求。

（3）当仅对中支座进行压重，压重长度为3.5m，钢纤维混凝土容重为35kN/m3，仅对中支座反力有增大效应，边支座反力大小几乎无变化。

（4）当边、中支座均进行压重，边、中支座反力均增大，且抗倾覆系数比仅压重边支座时大，增加了抗倾覆稳定性的安全储备。

3.4 横桥向风荷载的影响

现比较考虑风荷载和未考虑风荷载两种工况下钢箱梁的支座反力及抗倾覆稳定系数。风荷载大小按12kN/m来考虑，且荷载作用位置位于桥面以上3m位置。

考虑横桥向风荷载的作用下，边、中支座反力分别减少了44.3%和17%，抗倾覆系数也明显减小。这主要是由于声屏障被广泛用于城市高架桥上，声屏障加大了桥梁横桥向迎风面积以及风荷载作用力臂；且大跨径连续钢箱梁较高，自身横桥向迎风面也较大，使得横桥向风荷载在大跨径连续钢箱梁抗倾覆稳定性验算中起到了至关重要的作用。

4 结论

（1）当超载车辆严重偏心行驶时，钢箱梁支座反力和抗倾覆稳定系数将明显减小。因此，不仅应严格控制车辆超载现象，还应规定重车尽量靠桥梁中心位置行驶，减小失稳效应。

（2）支座间距对大跨径连续钢箱梁抗倾覆稳定性的影响较大，加大支座间距均能增大支座反力和抗倾覆系数。在地面层有足够布墩空间时，合理设置支座间距对大跨径连续钢箱梁抗倾覆稳定性尤为重要。

（3）大跨径连续钢箱梁边支座出现脱空现象时，在边支座直接进行压重是解决边支座脱空问题最为有效的方式之一；在中支座进行压重可增加抗倾覆稳定性的安全储备。

（4）在验算大跨径连续钢箱梁抗倾覆稳定性时，不可忽视横桥向风荷载所引起的失稳效应。