连续箱梁桥抗倾覆稳定性分析

李 巍

（辽宁省交通科学研究院 沈阳市 110015）

连续箱梁桥抗倾覆稳定性分析

李 巍

（辽宁省交通科学研究院 沈阳市 110015）

汲取独柱墩桥梁倾覆事故的经验和教训，采用有限元软件Midas对京哈高速公路杏山枢纽立交改建工程A匝道第三联（4×25m预应力混凝土连续箱梁桥）进行建模分析计算，对其施加各类极限工况下的桥面荷载，并调整布载方式，分析此类桥梁的抗倾覆能力，提出相关验算方法，讨论与连续箱梁桥抗倾覆稳定性的相关因素。

连续箱梁桥；抗倾覆稳定性；有限元分析；Midas

1 引言

独柱墩桥梁在偶然极限偏心荷载作用下，往往可能会发生桥梁整体横向失稳，近年来发生的各类独柱墩桥梁横向失稳事故，使桥梁设计人员更偏向于选择双柱墩乃至三柱墩式桥梁，抛弃以往的独柱墩桥梁设计方案，但连续箱梁桥在多柱墩支撑下其抗倾覆能力究竟有多少提高，桥梁结构能否满足偏心荷载作用下抗倾覆稳定性要求，尚未有大量相关研究与计算分析。

本文以某四跨预应力混凝土连续箱梁桥为例，利用有限元软件Midas/Civil2010对其进行了有限元建模分析，通过对其施加各类极限最不利荷载，计算该桥梁抗倾覆稳定性能力，综合计算结果，提出对此类桥梁结构设计的建议［1］。

2 工程实例

2.1工程概况

杏山枢纽立交改建工程A匝道桥第三联，位于京哈高速公路杏山枢纽互通式立交区内，桥梁设计角度为90°，8、9#桥墩平行于中分带布置，设计交角113°，跨径布置为：（24.96+25+25+24.96）m。该桥梁为预应力混凝土现浇连续箱梁桥，设计荷载为公路I级，桥面净宽14.0m，设计安全等级为一级，环境类别为II级［2］。

本桥位于R=280m左偏圆曲线内，箱梁截面为单箱双室截面，箱梁梁高为150cm，箱梁顶板宽1495cm，底板宽 1100cm，翼缘悬臂长度 197.5cm。箱梁顶板宽度在支点处为45cm，跨中梁段为25cm；箱梁底板厚度在支点处为45cm，跨中附近梁段范围为25cm；腹板厚度在支点附近梁段范围内为80cm，跨中附近梁段范围内为50cm，腹板渐变长度为400cm。

全桥预应力钢束采用低松弛钢绞线，公称直径15.2mm（7Φ5.0），公称面积140.0mm2，标准强度fpk=1860MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa，其技术性能应符合现行国家标准《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T 5224-2003）的要求。预应力钢束采用两端张拉，张拉控制应力为1395MPa。

全桥采用圆柱墩，连续墩采用1.3m双柱，接1.5m桩基。桥面铺装为8cm的C50水泥混凝土铺装和10cm的沥青混凝土铺装，沥青混凝土与水泥混凝土之间设防水层。

2.2判定标准

抗倾覆验算：

给出在各类荷载工况下的上部结构抗倾覆稳定安全系数。抗倾覆稳定安全系数验算暂按新版《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（总校稿）要求进行。

桥梁上部结构的抗倾覆稳定系数应满足以下要求：

式中：kdf—抗倾覆稳定系数；

Sbk—使上部结构倾覆的汽车荷载（含冲击作用）标准值效应；

Ssk—使上部结构稳定的作用效应标准组合。荷载仅布置于桥梁倾覆轴线的一侧，倾覆轴线与加载区域布置如图2所示。

2.3施加荷载工况

全桥箱梁采用Midas/Civil2010程序进行纵桥向内力分析和配束，结构采用部分预应力A类构件设计，连续箱梁设计时参照交通部部颁标准《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）考虑了箱梁有效翼缘宽度［3］，顶板升降温参照交通部部颁标准《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）中有关条款信息，箱梁各项受力指标满足规范要求。

（1）自重：箱梁采用 50#混凝土，自重按ρ= 26kN/m3计算；

（2）设计荷载：公路I级；

（3）汽车冲击系数：程序自动计算；

（4）基础变位：不均匀沉降0.5cm，按最不利工况进行组合；

（5）温度梯度：按10cm沥青铺装考虑温度梯度，正温差：T1=14.0℃，T2=5.5℃；反温差：T1=-7.0℃，T2=-2.75℃；

（6）二期恒载：单侧防撞墙 q=12.01kN/m，铺装q=61.6kN/m。

除上述荷载，连续箱梁计算极限组合计入预应力二次力矩、收缩徐变等作用。

本次建模计算中车辆荷载采用以下2种工况：

工况1：《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）公路-I级荷载；

工况2：重车自定义荷载，考虑车辆超载情况（分别取超载30%、50%、100%），按规范车辆荷载（55t）车列布载，前车与后车净距为1.0m［4］。

针对以上两种工况对A匝道第三联进行抗倾覆计算。

2.4有限元模型

全桥采用Midas/Civil2010建立有限元模型，模型采用悬臂法建模助手建立，建模过程为：定义初始材料特性及初始界面特性→采用悬臂法建模助手初始化模型→采用PSC桥梁建模助手细化初始模型→预应力钢束布置→定义荷载、边界条件及施工阶段→模型完成［5］，完成的有限元模型如图7。

全桥有限元模型共有249个节点，115个杆单元，C50混凝土收缩徐变采用China《JTG D62-2004》，抗压强度采用欧洲规范《CEB-FIP》。纵桥向预应力钢束共104组，对于小半径的曲线桥梁，当桥梁处于圆曲线范围内，应当采用“2D+圆弧+曲线”的模式定义钢束形状，这样才能保证钢束的平弯定义符合实际情况，保证分析计算结果的准确。

模型中边界条件含123个弹性连接，5个刚性连接，满堂支架采用节点代替，为全约束。施工中的临时约束对分段施工或节段施工的连续梁桥的永久内力及变形有重要影响，本桥为在满堂支架上进行逐段施工，需要考虑施工中满堂支架的临时约束条件。小跨径桥梁的满堂落地支架一般采用门式主桁架结构或万能杆件结构，其抗压刚度一般在30000～90000（B/H）t/m之间，本桥模型中取60000（B/H）t/m，箱梁底宽B为11.0m，梁底离地面H约10.0m，因此其抗压刚度取55000（B/H）t/m。支座抗压刚度可参考国际及支座厂家资料，不同规格的支座其抗压强度也不同［6］。

本桥施工顺序为7#→8#→9#→10#→11#墩，因此模型中可划分为6个施工阶段，见表1。

2.5计算结果

根据以上Midas/Civil2010有限元模型，全桥在各工况下的倾覆系数及弯矩计算结果如表2。

表1　施工阶段说明

表2　本桥倾覆系数计算结果

3 结论与建议

（1）工况1（公路I级+恒载+支座沉降+温度梯度+整体升降温）：倾覆系数为12.71＞2.5，结构安全不倾覆；

（2）工况2（1.0m间距重车+恒载+支座沉降+温度梯度+整体升降温）：

车辆超载30%时倾覆系数6.76；

车辆超载50%时倾覆系数5.83；

车辆超载100%时倾覆系数4.59。

通过以上验算可知，该桥梁结构在各工况荷载组合作用下，倾覆系数均大于限值2.5，本桥结构均能满足结构抗倾覆要求。

桥梁倾覆破坏为瞬间行为，类似于结构的“脆性”破坏，防范困难，经济损失大，应引起从业人员高度重视。通过本文的算例分析发现，多柱墩连续梁桥在各种最不利极限荷载组合作用下，均能满足结构抗倾覆要求，相对于单柱墩桥梁，其抗倾覆能力有较大提高，设计人员在相关的桥梁设计工作中，可适当增加墩的数量，提高桥梁结构的横向稳定性。当桥梁结构的抗倾覆安全系数不满足要求时，应采取可靠的抗倾覆措施及加固措施，防止意外事故发生。

［1］ 袁摄桢，戴公连，吴建武.单柱宽幅连续梁桥横向倾覆稳定性探讨［J］.中外建筑，2008（7）：154-157.

［2］ 中华人民共和国交通部.JTGD60-2004公路桥涵设计通用规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］ 中华人民共和国交通部.JTGD62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［4］ 梁峰.三跨独柱连续梁桥抗倾覆能力研究［J］.公路，2009，10（10）：40-43.

［5］ 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（应用技术版），2011（12）：87-89.

［6］ 李学辉，王蕴华.独柱支撑连续箱梁弯桥倾覆事故的成因分析及加固设计［J］.公路交通科技（应用技术版），2012（2）：3-5.

Analysis on Stability Against Overturning of Continuous Box Girder Bridge

LI Wei

（Liaoning Transportation Research Institute，Shenyang 110015，China）

Learning experience and lessons from overturning accident of single-column pier bridge，the modeling analysis and calculation are made on No.3（4×25m prestressed concrete continuous box girder bridge）of Ramp A in Reconstruction Project of Xingshan Hub Interchange of Jingha Expressway by adopting finite element software Midas，so as to impose bridge deck load under all kinds of limited conditions，and adjust loading mode. The capacity against overturning of such kind of bridge is analyzed，the relevant check calculation method is put forward，and factors relating to stability against overturning of continuous box girder bridge are discussed.

Continuous box girder bridge；Stability against overturning；Finite element analysis；Midas

U441

A

1673-6052（2016）01-0015-04

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.01.004