小半径连续箱梁的抗倾覆稳定性分析计算

张 义，唐发明

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)



小半径连续箱梁的抗倾覆稳定性分析计算

张 义，唐发明

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

互通立交匝道桥的曲线连续箱梁在实际中越来越多的得到应用，而梁体倾覆事故的不断发生，在实际工程中应该对梁体倾覆事故引起高度重视。本文采用midas civil软件建模进行有限元分析，对小半径连续箱梁匝道桥分析计算梁体的抗倾覆稳定性，为今后同类工程提供参考。

小半径连续箱梁;车辆超载；支座脱空；抗倾覆稳定性

0 前 言

随着城市的发展和高速路交通网络的完善，设计并建设了越来越多的互通式立交桥，而这些立交匝道桥由于地形和环境等因素的限制大都位于小半径曲线上。在这种情况下，不论梁体下的支座如何布置，在活载偏载的作用下都会使得曲线内侧支座出现卸载的情形，严重的情况支座会产生负反力，如果在未设置拉压支座的情况下，会造成非常严重的后果。针对近几年频繁发生由于超载车辆导致支座脱空使得梁体在毫无明显征兆下倾覆的事故，本文结合车辆超载的实际情况，以一个小半径连续箱梁匝道桥来分析计算梁体的抗倾覆稳定性。

1 工程概况

该桥为一个高速路上互通匝道桥，本桥的平面位于半径为90 m的圆曲线上，孔跨布置为4×25 m，结构形式为预应力混凝土连续箱梁(单箱单室)，支座采用双支座，横向支座中心线距离箱梁中心线15 cm，支座横向间距3.8 m。

1.1 结构尺寸

桥宽10 m，梁高1.6 m，悬臂长2.25 m，梁体断面见图1、2。

图1 箱梁跨中标准断面 图2 箱梁端头断面

1.2 主要材料

梁体用C50混凝土，钢绞线为低松弛高强度预应力钢绞线，单根钢绞线直径d=15.2 mm，钢绞线面积A=139 mm2，强度标准值fpk=1 860 MPa，弹性模量Ep=1.95×105。

2 计算模型的建立

该梁体模型采用midas civil 2013软件进行计算分析，运用空间杆系理论对结构进行模拟。该模型将梁体离散成201个节点和170个单元(见图3)。

梁体受到的荷载：

(1)恒载：恒载包括结构本身的自重、二期铺装、防撞墙的自重。

(2)活载：由于发生倾覆事故几乎都由于汽车超载引起，故本文活载考虑三种工况:①1.0倍公路-I级荷载;②1.3倍公路-I级荷载;③集装箱车队自定义车道(1.2倍55 t 集卡车队)荷载(见图4、5)。

(3)温度力：均匀温度升温20 ℃，降温25 ℃； 正温度梯度：14 ℃→5.5 ℃→0 ℃;负温度梯度：(-7)℃→(-2.75)℃→0℃。

(4)沉降：每个支座考虑5 mm的沉降。

(5)预应力：一个腹板6根钢束，布置3层，型号都为13ΦS15.2。

图3 计算模型

图4 公路-I级荷载(1.3倍公路-I级活载即是qk，Pk的数值都乘以1.3)

图5 集装箱车队自定义车道(1.2倍55 t 集卡车队)荷载

3 支座竖向反力计算结果

(1)仅恒载作用下的竖向支撑反力见图6。

图6 恒载作用下竖向支撑反力(单位：kN)

(2)1.0倍和1.3倍公路-I级活载作用下的标准组合最小竖向支撑反力见图7、8。

图7 1.0倍公路-I级活载作用下的标准组合最小竖向支撑反力(单位：kN)

图8 1.3倍公路-I级活载作用下的标准组合最小竖向支撑反力(单位：kN)

由图可以看出：该桥在以上两种活载工况下支座未出现负反力，即支座未脱空。

4 梁体在汽车超载作用下的抗倾覆验算

由于现行的桥梁规范没有具体条文对梁体的抗倾覆计算作出明确的规定，本文梁体的抗倾覆稳定系数计算依据采用2012年发布的《公路钢筋混凝土及应用力混凝土桥涵设计规范-征求意见稿》，而梁体的倾覆事故大都是汽车超载引起，故本文只验算梁体在活载工况②和③作用下的抗倾覆稳定系数。

根据《征求意见稿》的规定：对于弯桥，当跨中桥墩全部支座位于桥台外侧支座连线内侧时，倾覆轴线为桥台外侧支座连线；当跨中桥墩全部支座位于桥台外侧支座连线外侧时，倾覆轴线取为一桥台外侧支座和跨中桥墩支座连线(见图9)。

图9 倾覆轴线的位置

将工况③的重车(66 t)10 m间距荷载转换为车道荷载均布荷载28.9 kN/m和集中荷载0 kN进行箱梁桥抗倾覆验算，根据公式：

在活载工况②和③作用下的梁体抗倾覆系数计算结果见表1～6。

通过以上的计算可以看出，无论哪种工况抗倾覆系数都大于2.5。

表1 按倾覆轴线1作用下梁体抗倾覆系数计算表格

表2 按倾覆轴线1在活载工况②作用下的

梁体抗倾覆系数计算表格

μqk/kN·m-1Pk/kNΩ/m2e/m(1+μ)(qkΩ+Pke)γqf0．332113．6540344．221．91824148．9

表3 按倾覆轴线1在活载工况③作用下的

梁体抗倾覆系数计算表格

μqk/kN·m-1Pk/kNΩ/m2e/m(1+μ)(qkΩ+Pke)γqf0．332128．9044．221．91702．4159．5

表4 按倾覆轴线2作用下梁体抗倾覆系数计算表格

表5 按倾覆轴线2在活载工况②作用下的

梁体抗倾覆系数计算表格

μqk/kN·m-1Pk/kNΩ/m2e/m(1+μ)(qkΩ+Pke)γqf0．332113．6540348．851．941929．771．8

表6 按倾覆轴线2在活载工况③作用下的

梁体抗倾覆系数计算表格

μqk/kN·m-1Pk/kNΩ/m2e/m(1+μ)(qkΩ+Pke)γqf0．332128．9048．851．941880．673．7

5 对直线桥是否存在梁体倾覆危险的思考

理论上直线桥在横向支座受到的恒载应该一致，不会存在弯桥曲线外侧重，内侧轻的情况。但直线桥汽车荷载是按直线行驶，会使倾覆轴线和横向最不利的车道位置所围成的面积较弯桥更不利，这样有可能会使得在同样的情况下直线桥更容易发生倾覆。所以我们在设计的时候不能忽略验算直线桥的抗倾覆系数。

6 结论和建议

倾覆的过程是梁体支座先发生脱空，然后致使梁体在毫无征兆的情况下发生侧向翻转。在我们设计中无论直桥和弯桥都要注意验算支座是否会脱空以及梁体的抗倾覆系数是否符合规范的要求，因为现实中汽车超载非常普遍，设计和验算又不太好考虑汽车超载，故建议在设计此类结构时，尽可能采用双支座或多支座，甚至拉力支座，尽量不要采用独立支座，以最大限度地减小桥梁侧翻的可能性。

在设计中为避免发生倾覆的事故，桥墩处支座在满足摆放尺寸要求和横梁受力要求的情况下，支座的位置应该尽可能的拉开，尽量避免使用独支座。在桥台处最好采用多支座布置在梁体下面。另外在小半径弯桥的情况下，为使横向支座恒载反力差别不是太大，在布置横向支座位置时，可以使支座中心线适当向曲线外侧偏移，即在梁体横向设置支座偏心。

2016-02-17

张义(1975-)，男，黑龙江哈尔滨人，高级工程师，从事交通设计工作。

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