某弯桥抗倾覆稳定性计算分析

赵天野

(辽宁省交通运输事业发展中心 沈阳市 110005)

0 引言

城市立交桥匝道桥形式多采用弯桥，桥梁下部结构经常采用独柱墩形式，既美观，又可节约桥梁下部结构占地空间，但由于独柱墩采用单支座形式，横向提供的支撑面积较小，桥梁在汽车偏载作用下，一侧受压支座可能失效，从而导致发生侧翻事故，如近期发生的江苏省无锡市国道桥梁侧翻事故。因此在弯桥设计过程中，需进行抗倾覆验算，同时考虑如何增加抗倾覆能力。以一座连续梁独柱墩弯桥为例，分析该桥在汽车偏载作用下的倾覆情况，同时分析设置预偏心对桥梁内力的影响，通过计算分析对如何提高弯桥的横向抗倾覆稳定能力提出一个基本思路。

1 验算原则

桥梁发生侧翻时的具体过程为，单项受压支座脱离正常受压状态，上部结构的支撑体系不再提供有效约束，上部结构扭转变形趋于发散、横向失稳垮塌，支座、下部结构连带损坏。整个侧翻倾覆的过程存在两个明确的特征状态，特征状态1指单向受压支座开始出现脱离受压状态，特征状态2指箱梁的抗扭支座全部失效；对于特征状态2的情况下，采用“稳定作用效应/失效作用效应≥稳定性系数”进行横向倾覆验算，依据桥涵设计规范，横向抗倾覆稳定性系数取值2.5，具体表达式如下[1]：

稳定作用效应 ΣSbk，i=ΣRGKili

(1)

失稳作用效应 ΣSsk，i=ΣRQKili

(2)

式中：RGKi为结构重力、预加力、混凝土收缩、徐变作用等永久荷载作用下失效支座的支反力；RQKi为汽车荷载、汽车冲击力等可变荷载作用下，最不利布置形式下失效支座的支反力；li为失效支座与有效支座的中心距离。

依据上述公式，弯桥横向倾覆验算通过表达式为：

ΣSbk，i/ΣSsk，i=ΣRGKili/ΣRQKili≥2.5

(3)

2 工程概况

上部结构选用跨径布置为4×25m的4跨一联混凝土连续箱梁弯桥，基本走向为由直线渐变至曲线，曲线半径为120m，单箱2室，C50混凝土浇注。箱梁顶宽9m，箱梁底宽6.58m，两侧悬臂翼缘板宽0.826m，翼缘板根部厚度为0.33m，梁高1.48m。腹板采用斜腹板形式，箱梁顶板厚度采用25cm，底板厚度采用42cm，如图1所示。

3 有限元模型建立

采用Midas Civil进行全桥有限元建模，两侧桥台及50m跨中墩柱设置双支座，其余墩柱设置单支座，考虑混凝土收缩、徐变作用，弯桥有限元模型如图2所示。

图2 弯桥有限元模型

3.1 数据分析

弯桥侧翻事故往往是在汽车偏载作用下发生的，本小节主要研究在汽车偏载作用下单向受压支座的受力状态，车道设置外侧汽车偏载，为便于分析，将支座按照从左至右、内侧至外侧的顺序依次编号，通过Midas Civil软件得出永久荷载作用下失效支座的支反力，同时在汽车偏载作用下分别得出内侧支座处于最不利状态时，其他支座对应的支反力，具体数值如表1所示。

表1 荷载组合作用下弯桥各支座支反力数值

通过表1可以看出，1号墩、3号墩、5号墩的内侧支座在永久荷载和汽车偏载联合作用下均处于受压状态，特征状态1验算通过，横向抗倾覆稳定性系数计算值均大于规范要求值2.5，特征状态2验算通过。因此该桥在汽车偏载作用下横向倾覆验算通过，桥梁处于安全运行状态。

3.2 设置预偏心数据分析

设置预偏心可使弯桥的受力和配筋更加合理[2]，即支座的中心沿着曲线半径的方向往弯桥外侧偏移一定的距离。本小节主要对比设置预偏心和未设置预偏心两种情况下弯桥的横向倾覆稳定性情况，设置2号墩、4号墩支座预偏心为50cm，如图3所示。

图3 弯桥有限元模型(预偏心50cm)

通过Midas Civil软件分析，弯桥在永久荷载和汽车偏载作用下各支座支反力数值如表2所示。

通过对比表1和表2，可以看出通过设置预偏心，可改变永久荷载作用下双支座的支反力分布，未设置预偏心时支座两侧在永久荷载作用下支反力基本相等，而设置预偏心后，内侧支座支反力增大，分析原因是预偏心的设置，使弯桥的整体重心向曲线内侧偏移，从而导致内侧支座压力增大，进而设置预偏心可有效地平衡汽车偏载对弯桥横向倾覆的不利作用。

表2 荷载组合作用下弯桥各支座支反力数值(预偏心50cm)

通过图4可以看出，设置预偏心后，抗倾覆稳定性系数都有了较大幅度的提高，最大提高幅度由4.59提升至5.41，提升达到17.9%。

图4 设置预偏心前后抗倾覆稳定性系数对比

在永久荷载与汽车偏载联合作用下，以1号墩为例，设置预偏心前后梁端扭矩数值如表3所示。

表3 设置预偏心前后梁段扭矩数值

通过Midas Civil软件计算分析，设置预偏心后使梁端扭矩降低了32.2%，分析原因是对独柱墩弯桥而言，桥梁两端支座可提供较强的抗扭约束，中间墩则没有提供抗扭约束，而预偏心的设置则充分利用了支点反力产生的反扭矩，平衡了一部分由汽车偏载作用产生的扭矩，进而有效地降低了梁端的内扭矩，有利于增加弯桥的抗倾覆稳定性，因此设置预偏心可使梁内扭矩重新分布，可以作为提高弯桥抗倾覆能力的一种方法。

4 结论

(1)通过模拟弯桥在偏载作用下的使用状态，计算得出未设置预偏心工况下抗倾覆稳定系数分别为5.38、4.59、5.39，均大于规范要求的2.5，横向抗倾覆稳定性验算通过。

(2)在设置预偏心工况下，抗倾覆稳定性系数有了大幅度的提高，最大提高幅度由4.59提升至5.41，提升达到17.9%，同时也有效地降低了梁端扭矩，以1号墩为例，梁端扭矩由3807kN·m降至2580kN·m，设置预偏心可提升桥梁横向抗倾覆稳定性。

(3)城市交通繁杂，通行车辆多样，弯桥作为城市匝道桥中的常用桥型，进行横向抗倾覆稳定性验算十分必要。桥梁设计过程中往往考虑各作用效应组合在正常使用极限状态和承载能力极限状态下的计算分析，本文也仅提出了弯桥在标准荷载偏载作用下的倾覆稳定性验算过程，对特殊车辆偏载、超载或者其他可能的车辆组合作用下的情况并未进行建模分析，以后需进一步研究。

(4)独柱墩虽有节约占地空间的优势，但不可预见的超载也带来了安全隐患，为避免侧翻事故的再次发生，在桥梁设计过程中建议对宽度较大的弯桥应考虑横向设置多个支座支撑、增设盖梁以及选择合适的支座种类等措施，以增加桥梁的横向抗倾覆稳定性，同时各地路政管理部门应充分发挥工作职能，加强行业监管力度，并增设标志、标牌等交通警示附属设施，避免超限超载等特殊车辆驶入匝道桥，从而降低安全隐患。