连续钢箱梁桥抗倾覆性能影响因素研究

2022-10-18肖鹏程

黑龙江交通科技 2022年10期

肖鹏程

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司城建设计院，湖北武汉 430050)

近年来，连续钢箱梁桥在城市桥梁建设中应用越来越广泛。钢箱梁具有抗扭刚度大、跨越能力强、力学性能优越、结构本身重量轻等特点。但也由于其自身结构轻，抗倾覆能力下降，导致桥梁失稳和倾覆事故频繁发生。因此在桥梁运行期间，有必要针对连续钢箱梁桥的横向抗倾覆稳定性进行分析。目前，许多研究人员对此进行了研究。现有的研究主要集中在如何提高连续钢箱梁横向抗倾覆稳定性和提高桥梁结构抗倾覆性能的方法，而对影响参数的研究很少，存在有一定的局限性。因此结合有限元软件对广州市某高架桥横向抗倾覆性能进行研究，考虑不同横向荷载作用位置、支座间距以及桥墩布置形式等设计参数，对桥梁结构产生支座负反力以及横向抗倾覆性能进行分析，并提出合理的桥梁抗倾覆加固措施与建议。

1 抗倾覆理论

1.1 抗倾覆稳定系数

当桥梁整体结构出现横向倾覆失稳时，远离不平衡荷载一侧的支座已经脱空。桥梁的侧向稳定系数可以取为恒定荷载下的倾覆力矩与偏心荷载作用下的倾覆力矩之比。目前，主要通过抗倾覆稳定性系数来评价桥梁的横向抗倾覆稳定性，并且当抗倾覆稳定系数大于2.5时，可以认定结构的横向抗倾覆稳定性良好，能够抵抗偏载作用下产生的倾覆力矩。其计算公式如下

(1)

式中：为抗倾覆扭转力矩；为倾覆扭转力矩。

直线桥和曲线桥受力特点不同，其抗倾覆稳定性系数的计算方法也有所差别，对于直桥，桥的轴线是直的，倾覆轴是支座在桥台同侧的直线。在弯桥的情况下，倾覆轴是桥台一侧的轴承之间的线或两个桥墩上的轴承之间的线，以更侧向的为准。

(2)

(3)

1.2 桥梁抗倾覆破坏机理

针对桥梁结构的横向倾覆失稳破坏过程，其抗倾覆破坏机理可归纳为两种情况。

当由于偏心荷载导致的倾覆力矩小于结构的抗倾覆力矩时，此时支座尚未发现脱空现象，但其横向支承受到很大的水平约束力，桥墩处于受压和弯曲状态。从一些以前发生过倾覆事故的桥梁结构来看桥梁墩柱底部截面发生压缩和弯曲破坏，使墩柱沿主梁挠度的水平方向发生较大变形，导致上部结构下降。在设计时，如果对桥墩横向刚度考虑不周，桥墩顶部就会在偏心荷载作用下受到较大的侧向推力，从而导致桥墩损坏。

当由于偏心荷载导致的倾覆力矩大于结构的抗倾覆力矩时，此时离偏心荷载远端的支座都会呈现脱空现象。随着约束系统的减弱，结构的整体扭转刚度将趋近失效，主梁的旋转角度随着载荷的增加而变大，在主梁绕轴线转动下和弹性弯曲变形下的共同作用下发生失稳倾覆。此时，偏心荷载一侧的桥墩仍处于弯曲状态。无论墩柱出现整体弯曲还是局部混凝土破碎，都会使得压缩支撑角超过极限，从而造成结构整体倾覆。

连续钢箱梁桥横向抗倾覆稳定性应当看成是整体结构的稳定性问题。因此不能单独以支座脱空当作横向稳定性的标准。要全面对比主梁倾覆力矩与抗倾覆的关系，确保墩柱在水平力作用下引起的偏心荷载的承载能力。

2 计算实例

2.1 工程概况

某在建高架桥主线全长360 m，共分三联，跨径组合为(3×40)+(3×40)+(3×40)m，桥宽17.5 m，双向四车道。组合梁采用预制桥面板，桥面板间通过湿接缝联系。为控制负弯矩区桥面板应力，通过支座预位移削减混凝土应力。桥面板采用C50混凝土，钢梁采用Q355C钢材。等高组合梁梁高1 800 mm，桥面板厚250～400 mm，钢梁梁高1 360 mm，桥面板与钢梁间为40 mm厚环氧砂浆。

2.2 有限元模拟

组合梁计算软件为midas Civil 2019版本，建立箱梁空间梁单元模型，采用软件中的施工联合截面。钢梁横向采用工字钢连接，桥面板的连接采用虚拟横梁来连接。组合梁抗弯承载力的计算应考虑剪力滞效应的影响，计算箱梁在腹板两侧上、下翼缘的有效宽度。经简单计算可得知，有效宽度可以按照全桥宽度计算。全桥共分792个单元，607个节点，支座采用弹性连接模拟。结构计算模型如图1所示。

图1 有限元模型图

3 抗倾覆影响参数分析

通过改变荷载横向作用位置、支座布置形式、桥墩布置形式等影响参数，结合有限元模型数据，对桥梁抗倾覆性能进行分析，找出重要的因素，为设计提供参考。

3.1 荷载横向作用位置

偏载作用是桥梁出现失稳倾覆现象的直接原因，通常把主梁横截面当作双悬臂梁，当偏心荷载作用在悬臂端时，距离荷载远端的支座势必受到拉力的作用产生负反力。结合有限元模型数据分析，得到荷载横向作用位置对抗倾覆性能的影响程度，可其计算表格如表1所示，荷载横向作用位置与抗倾覆系数的关系见图2所示。

表1 荷载横向作用位置对抗倾覆性能的影响

从表1和图2可看出，车辆荷载离主梁中心线越远，远离偏载一侧的支座负反力越大，倾覆力矩也越大，抗倾覆性能下降。因此，建议在桥梁运营期间安装道路标志，禁止车辆占用最外层的紧急停车区或缓冲区。

图2 荷载横向作用位置与抗倾覆稳定系数的关系

3.2 支座间距

支座间距也是造成桥梁倾覆的重要原因之一。在相同的主梁结构和偏心荷载作用下，支座间距的不同也会影响到钢箱梁的抗倾覆性能。通常情况下，支座间距越宽，桥梁的抗倾覆力矩就越大，所以结构越稳定，其抗倾覆性能就越好。结合有限元模型，通过改变边界条件来调整支座间距，分析支座反力变化情况，其结果表格如表2所示，支座间距与抗倾覆系数的关系见图3所示。

表2 支座间距对抗倾覆性能的影响

由表2和图3可知，增大支座间距后，支座负反力呈现减小趋势，减小幅度也有所下降，而钢箱梁抗倾覆稳定性能得到提高，因此在实际工程中，通过反复分析结构受力，尽可能的增大支座间距，可提高钢箱梁抗倾覆稳定性能。

图3 支座间距与抗倾覆稳定系数的关系

3.3 桥墩布置形式

在城市道路高架桥和匝道立交桥中，针对不同的道路条件，通常桥墩布置形式也有所不同，目前主要有单墩单支座、单墩双支座以及双墩双支座三种类型桥墩，单墩单支座因其截面刚度相对较小，且仅有单个支座，对桥梁横向稳定性十分不利。因此只分析单墩双支座和双墩双支座对钢箱梁抗倾覆性能的影响。在相同荷载条件下，对比桥梁抗倾覆性能，其结果表格如表3所示。

表3 桥墩布置形式对抗倾覆性能的影响

由表3可看出，在相同偏载作用条件下，单墩双支座桥梁倾覆力矩明显比双墩双支座大，抗倾覆力矩相对较小，因此在桥墩设计时，建议优先考虑双墩双支座桥墩，确保桥梁上部结构横向抗倾覆稳定性。当桥下道路空间条件受到限制只能采用单墩单支座桥墩时，必须采取配重或其他抗倾覆措施，提高抗倾覆力矩，同时对其压弯承载力进行计算。