板式墩匝道桥抗倾覆研究与动静载测试

蒋伋雨，刘世忠，杨　阳，史军胜，朱　肖

(兰州交通大学 甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃 兰州　730070)



板式墩匝道桥抗倾覆研究与动静载测试

蒋伋雨，刘世忠，杨阳，史军胜，朱肖

(兰州交通大学 甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃 兰州730070)

目前匝道桥在城市立交中得到了广泛的应用，然而匝道桥的抗倾覆性能则是其能否正常安全工作的前提。针对近年来常发生的匝道桥倾覆事故，按照《公路桥涵设计规范》中要求，结合有限元理论分析，利用大型有限元通用软件Ansys验算了某市杏滨路提升改造工程中A匝道桥的抗倾覆性能，并模拟城市桥梁常面对的超重超限车辆进行验算，确定其在特种荷载作用下的安全性，并得出其倾覆临界荷载。最后对其进行动静载测试，研究其静动力性能，并验证了在规范荷载作用下的抗倾覆稳定性。建议正式运营后需对桥梁进行长期监测，定期排查，做到有问题及时解决，有危险及时排除。

；匝道桥；抗倾覆；承载能力；动静载；静动力性能

0　引言

近年来匝道桥倾覆事故多发，对社会造成了不良的影响。2012年哈尔滨市进入阳明滩大桥主桥的最后一段匝道被4辆重载货车压翻，4辆货车冲下桥体[1]。分析认为匝道倾翻是由于车辆超载造成的。据专家组分析意见、检测检验机构检验结论和调查组调查取证认定，事故直接原因是驾驶擅自改变机动车外形和技术数据的严重超载车辆，在121.96 m的长梁体范围内同时集中靠右侧行驶，造成匝道钢混连续叠合梁一侧偏载严重，从而导致匝道倾覆。2015年粤赣高速城南互通CK0+224.5匝道桥梁发生断裂，事故发生时有4辆满载瓷土的重载货车行驶在匝道桥上，桥梁瞬间倾覆，4辆重载货车掉落，当场造成1人死亡、4人受伤。其构造如图1所示，汽车偏载所产生的扭矩通过中间孔的作用使一侧的桥体侧翻造成事故。

图1　粤赣高速城南互通匝道构造简图

匝道桥广泛应用于立交、高架及高速公路进出口中，为避免此类事故的再次发生同时也为现有匝道桥排除隐患提供参考，对于匝道桥的抗倾覆性能研究有着重要的意义。本文以某市杏滨路提升改造工程中A匝道桥为研究对象，对其抗倾覆性能进行了研究。并通过静动载试验验证其规范荷载作用下静动力性能。

1　工程概况

A匝道桥跨径组合为3×30 m，桥梁全长93 m。上部结构采用预应力砼连续箱梁，桥面全宽8.5 m，如图2、图3所示。

箱梁采用单箱单室断面，悬臂长2.2 m，顶底板厚0.25 m，腹板厚0.45 m，在横梁附近渐变为0.6 m。端横梁厚1.5 m，中横梁厚1.8 m，混凝土箱梁底板设置泄水孔，腹板上设置通风孔。全桥平面位于R=150 m的圆曲线和直线上，纵断面位于R=3 290 m的竖曲线上，纵坡为4.64%和2.73%。本桥为单幅桥，桥面布置如下：0.5 m(防护撞栏)+7.5 m(行车道)+0.5 m(防护撞栏)=8.5 m。

图2　A匝道箱梁标准断面图(单位；m)

图3　A匝道桥平面及箱梁横断面布置示意

2　有限元模型及倾覆荷载的模拟

2.1有限元模型建立

本文以大型有限元通用软件ANSYS建立该匝道桥结构模型，并采用通用的空间有限元分析软件MIDAS/Civil辅助建立模型。如图4。根据《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2015和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中的规定应以禁止支座脱空为原则进行倾覆稳定性分析。因此，在模型中支座反力是不允许出现负值的，出现负值就代表该支座出现了脱空的情形。

图4　模型标准视图

2.2倾覆荷载模拟

该匝道桥车道宽度为7.5 m，结合有限元分析及公路15规范，设立工况1：《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)公路-Ⅰ级荷载(约35 t重车)外侧单车道偏载。

由于近年来发生的匝道桥事故中超载车辆大多超载3～4倍[1]，故设立工况2与工况3，分别如下：工况2：3倍公路-Ⅰ级荷载(约110 t重车)外侧单车道偏载；工况3：4倍公路-Ⅰ级荷载(约140 t重车)外侧单车道偏载。

由于考虑到重车多以小型车队的形式出现，故再次增加工况4与工况5，分别为：工况4：以间隔10 m左右密集布置公路-Ⅰ级荷载(约35 t重车)重车；工况5：以间隔10 m左右密集布置3倍公路-Ⅰ级荷载(约110 t重车)重车。

据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)中对公路-Ⅰ级荷载的描述，该汽车荷载由均布荷载qk和集中荷载Pk构成。由规范中规定和桥梁跨径可知qk=10.5 kN/m，Pk=320 kN，如图5所示。由Midas软件计算结果模拟得出用轴重35 t的重车可代替公路-Ⅰ级荷载作用获得等值最大弯矩或最大剪力。

图5　公路15规范公路-Ⅰ级荷载图示

3　有限元计算分析

一般而言，桥梁结构发生横向侧翻时总是存在一个翻转轴，随着偏载不断增大，对结构产生的往一个方向翻转的力矩也在增大，当达到并超过桥梁自身重量所能提供的抵抗翻转力矩，整体结构会发生翻转并倾覆。对于具有双支座桥墩的桥梁，同侧支座的连线就是一个翻转轴，当偏转轴外侧的偏载过大，超过主梁的抵抗力矩后，桥梁整体将绕翻转轴向偏载侧翻转。对于连续梁桥而言，横向的倾覆问题其实并不复杂，可以通过力学和几何方法进行分析。在分析桥梁横向抗倾覆能力时作出以下假定：

1) 桥梁设计强度满足要求，不会在正常偏载情况下发生强度破坏；

2) 将结构视为理想受力构件，不考虑变形对受力的影响；

3) 不考虑桥墩失效引起的破坏。

连续梁桥出现倾覆破坏时，可以认为是整体的侧向翻转。在倾覆的临界状态，远离偏载侧支座已呈现脱空的状态。采取前文中各工况对匝道桥进行抗倾覆试压，得出各工况作用下支座反力。需要补充的是该匝道桥位于城乡结合部，考虑到重车多在夜晚以小型车队的形式出现，与该匝道桥相连的拼宽桥又为单车道，故将荷载作用边线定在距边缘0.2 m处。

根据规范要求，支座不允许出现脱空的情况，由图6中各工况下支座反力对比模型可以看出在工况1、2作用下桥梁墩台均无负反力出现。工况3首先出现负反力即3号墩出现支座脱空，存在倾覆的危险性。工况4无负反力，工况5的1号墩3号墩均出现负反力，危险性较大。则对应工况3、5，实际桥梁中应严禁载重超110 t重车上桥，重车上桥应严格控制车距不能密集行驶，车距保持10 m以上。注意行车时不要紧贴外侧边缘行驶。

图6　各工况作用下支座反力图

4　静动载试验分析

目前，国内外对各种桥梁进行实桥的静、动载试验的必要性认识是一致的，静动载试验是评价一座桥梁在使用期间工作性能可靠性的唯一手段，通过全桥静动载试验可以达到充分了解其性能，掌握桥梁的静动力性能。

此处通过动静载确定该匝道桥在规范设计荷载作用下的反应，对应前文中工况1，从而印证出规范荷载下的稳定性。该桥静载试验内容包括；①第1跨跨中最大正弯矩应变及挠度测试。 ②第2跨跨中最大正弯矩应变及挠度测试。 ③1号墩支点处最大负弯矩应变测试。动载试验内容包括；①脉动测试；②跑车试验；③刹车试验。

由图7、图8数据可知，工况1～3作用下，主测截面挠度校验系数均在《评定规程》给出的预应力混凝土桥挠度校验系数常值范围(0.60～1.00)内，表明主梁具有良好的刚度。各测试截面应力校验系数均在《评定规程》给出的预应力混凝土应力校验系数常值(0.50～0.90)范围内。由于该匝道桥为新建桥梁其卸载残余在仪器读数精度范围内，可认为其处于完全弹性状态。工况1检测结果表明，该工况作用下主梁工作应力状态满足要求，且有一定的安全储备，主梁弹性状态满足要求。理论计算主梁竖向基频3.38 Hz，实测竖向基频3.84 Hz。理论计算该联主梁竖向二阶频率4.26 Hz，实测值4.89 Hz。实测前两阶竖向频率与理论频率的比值介于1.137～1.147。依据《公路桥梁承载能力评定标准》，可评定主梁具有良好的竖向刚度。

图7　各工况下挠度结果汇总图

图8　各工况下应力结果汇总表

5　结论

匝道桥属于事故多发型结构，且倾覆破坏又属

于瞬时破坏[2]，一旦发生，破坏性大，社会影响恶劣。通过对A匝道桥进行有限元模拟分析及动静载试验可得出以下结论：

1) 桥梁在规范正常荷载作用下表现良好，在3倍公路-Ⅰ级荷载作用下能保持一定安全度，满足抗倾覆稳定性要求。当出现严重超载超重车辆(大于3倍公路-Ⅰ级荷载)时，桥梁存在倾覆危险，不满足抗倾覆稳定性要求。

2) 通过对新建A匝道桥进行静、动载试验结果表明：A匝道桥的各项静动力性能满足规范和设计要求，在规范荷载作用下抗倾覆稳定性良好。

随着近年经济的腾飞，交通量逐年递增，其中必然会出现大量超重超载车辆，且该匝道桥地处城乡结合部，运渣车较多，这一点尤其突出。因此应该结合交警部门相关资料，做好当地超重车辆调查，协调好桥梁运营方加强监管从源头避免事故发生。

[1]庄东利.偏载作用下箱梁桥抗倾覆稳定问题的探讨[J].桥梁建设，2014，44(2)：27-31.

[2]李盼到，马利君.独住支撑匝道桥抗倾覆验算汽车荷载研究[J].桥梁建设，2012，42(3)：14-18.

[3]孙全胜，高红帅，张东久.小半径曲线钢箱梁独柱墩匝道桥抗倾覆分析[J].中外公路，2013，33(5)：114-118.

[4]陈彦江，王俊华，等.小半径曲线梁桥抗倾覆性能研究[J].公路，2014(10)：143-147.

[5]刘飞，刘世忠，张慧，等.独柱曲线刚构匝道桥抗倾覆稳定试验研究[J].兰州交通大学学报，2012，31(4)：26-30.

[6]万莉.匝道桥的计算方法及设计要点[J].现代交通技术，2009，6(2)：47-50.

[7]黄国勇，兰长青.墩梁固结独柱墩桥梁抗倾覆分析及加固设计方法[J].公路交通科技，2011(12)：87-89.

[8]丁汉山，刘华，等.高架桥弯梁抗扭稳定性分析[J].交通运输工程学报，2004，4(3)：44-48.

[9]R Dabrowski.Curved Thin-Walled Girders[M].London：Cement and Concrete Association，1968.

[10]邵容光，夏淦.混凝土弯桥[M].北京：人民交通出版社，1994.

2016-03-31

国家自然科学基金项目(51368032)

蒋伋雨(1991-)，男，硕士研究生，研究方向为桥梁结构数值分析与检测评估。

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