匝道桥抗倾覆稳定性计算与研究

李德锋 郭威 王迪

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710075;2.长安大学公路学院，陕西西安 710064;3.上海中交海德交通科技股份有限公司西安分公司，陕西西安 710075)

0 引言

匝道是连接引线与主线互通的线路，线形多为曲线。匝道桥与直线桥相比，在自重与移动荷载作用下主梁承受的扭矩要大许多。匝道桥倾覆事故时有发生，如2007年10月包头市民族东路高架桥倾覆，2009年11月南京市内环西线南延工程匝道倾覆，为桥梁工程师敲响了警钟。随着交通量的日益增长，车辆荷载显著增大，而大多数匝道桥梁较主线桥梁狭窄，自重小，车辆荷载在荷载组合中所占的比重大。因此有必要按照新的车辆荷载工况对早期设计施工的此类匝道桥进行抗倾覆稳定性验算。

1 工程概况

沈士互通A匝道位于杭州市绕城公路东段第一合同段，南连杭甬、杭金衢高速公路，北接沪杭高速公路，中心桩号K0+396.03，桥梁起点桩号为 K0+098.17，终点桩号为 K0+693.89，全长595.72m。全桥共分为五联，跨径为(6×19.3)m+(6×19.3)m+(25+35+35+25)m+(6×20)m+(6×20)m。上部结构中除第三联为预应力现浇钢筋混凝土连续箱梁外，其余均为后张预应力混凝土空心板。

2 计算依据

按照JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范5.1条及条文解释，主梁倾覆稳定性的计算属于承载能力极限状态，抗倾覆稳定性验算应该按照极限承载力计算，因此荷载效应的组合系数按照JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范4.1.6条对承载能力极限状态基本组合荷载效应系数的规定取值。根据弯桥的结构特点，主梁通常处于外侧超载，内侧卸载的受力状态，当活载偏置时，梁内侧支座甚至会产生负反力。当支座出现负反力即意味着梁底与支座面将脱空，所以支座不出现负反力是保证匝道桥不发生倾覆的重要条件。当然一个支座的脱空，可能不会引起梁的迅即倾覆，但是已经达到临界状态。

在相关设计规范中，均有关于禁止支座脱空的描述，因此以联端内侧支座不出现负反力作为满足抗倾覆稳定性要求的判断标准。

3 模型建立

本文采用Midas/Civil空间有限元软件分别建立该匝道桥第三联加固前后的计算模型。由于连续梁桥抗倾覆稳定性计算受桥墩影响可以忽略，故直接在主梁相应位置设立约束条件模拟支座，省去下部结构模型的建立。

3.1 主梁截面

主梁截面如图1所示。

上缘宽13.25m，底缘宽7.25m，高3.3m。用AutoCAD 绘制出箱梁截面形状后倒入Midas截面特性计算器中，生成Plane形式截面，计算截面特性后，导出sec文件。在Midas/Civil中可调入该截面使用。

3.2 主梁线形输入

该桥位于A=175m至R=300m平曲线上，竖曲线要素为R=6 377m，T=114.786m。首先分别计算出平面与立面坐标，间隔为每延米一个。之后将线形按坐标输入AutoCAD绘制多段线后导入Midas/Civil中。

平面缓和曲线坐标表达式:

其中，x，y为坐标值;A为回旋线参数;l为曲线长度。

竖曲线基本方程式为:

其中，R为竖曲线半径;i为纵坡度。

计算模型见图2。

3.3 支座约束模拟

弯桥的支座应使用节点局部坐标来正确模拟约束形式，本例中以顺桥向为X轴，横桥向为Y轴，设置节点局部坐标系。对于有纵坡的桥梁，固定端支座应设置在低处，这样可将主梁自重转化为梁体内的压应力，相当于免费的预应力。本文验算的匝道桥一联4孔，联端为双支座，联内支座加固前为单支座，沿横桥向在轴线外侧设10cm偏心，加固后为间距3.1m的双支座。支座约束设置见图3。

3.4 荷载确定

计算除恒载和汽车荷载之外，还综合考虑了温度荷载、支座沉降等因素。支座沉降按0.005m计;温度按JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范4.3.10计算;桥面静荷载:护栏单侧每延米重9.1kN/m，桥面铺装厚10cm;活载按2车道计算，车辆荷载尺寸及位置按JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范4.3.1条相关规定，考虑沿桥轴线外侧偏载布置;箱梁采用C40混凝土，容重取26kN/m3;车辆荷载分三种工况:工况1:JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范公路—Ⅰ级荷载;工况2:1.3倍公路—Ⅰ级荷载;工况3:重车(1.2倍标准荷载)自定义车辆荷载(按1.2倍的规范55t车辆荷载进行加载计算，车队纵向两车的前后轮轮距为10m)。荷载组合系数为:1.0永久作用+1.12温度作用+0.5支座沉降作用+1.4车辆荷载。

4 计算结果及分析

联端内侧支座支反力计算结果见表1。

表1 支反力计算结果

以上计算结果表明，加固前当车辆荷载在最不利位置加载时匝道桥联端内侧支座出现负反力。因此认为该匝道桥在加固前，在现行公路桥梁规范中的汽车荷载、超载以及重车作用下会发生倾覆。

加固后匝道桥联端内侧支座在三种移动荷载工况下均不出现负反力，并且安全储备大，满足抗倾覆稳定性要求。

5 结语

1)本文验算的独柱宽幅匝道桥加固前在现行公路桥梁规范指定的车辆荷载作用下会发生倾覆，不满足抗倾覆稳定性要求。

2)该匝道桥加固后在联内的墩顶设置了间距3.1m的双支座，各车辆荷载工况组合作用下支座不出现负反力，并且安全储备大，能够满足抗倾覆稳定性要求。

3)匝道桥抗倾覆稳定性与其支座偏心、横向间距、车辆荷载与车道偏心、汽车超载程度等因素有关，此类型桥梁在计算时应谨慎、充分考虑以上因素。

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