某连续曲线钢箱梁桥受力与维护措施研究

夏宁

（中国铁路设计集团有限公司，天津市 300142）

0 引言

近年来，曲线钢箱梁因其造型简洁流畅、自重轻、跨越能力强的优点，在城市立交桥、高架桥和高速公路匝道桥得到了广泛的应用，但在运营过程中，曲线钢箱梁桥存在若干值得注意的问题。一方面，在我国目前公路运营条件下，车辆超载运营现象严重，导致桥梁倾覆事故频发；同时曲线钢箱梁为薄壁闭口结构，由于荷载的增加，结构易发生侧向弯曲和扭转变形，桥梁的稳定问题应引起足够重视。另一方面，曲线钢箱梁桥在桥梁维护过程中，需对结构的强度和稳定问题进行研究，以保证安全运营和施工。

本文以一座三跨连续曲线钢箱梁匝道桥为例，对其受力特性进行分析，并参照《公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范》（征求意见稿）（2012）[1]关于混凝土梁桥倾覆的条款规定，结合有限元软件对桥梁抗倾覆稳定性给予全面的评价；对桥梁运营期间维护措施展开研究，提出相关维护措施中应注意的事项，为同类型桥梁运营及维护提供参考。

1 工程概况

某高速公路某立交A匝道桥为三跨连续曲线钢箱梁，其跨径组合为30 m+50 m+30 m，位于31～34号桥墩，桥宽12.0 m，钢箱梁截面形式为单箱三室，桥跨位于A=106.066 m左偏缓和曲线和R-150 m圆曲线组成的平曲线上，缓和曲线部分桥面横坡为6%过渡到1.89%，圆曲线部分桥面横坡为6%。

在结合墩墩顶箱梁内底部灌有铁砂混凝土压重，箱梁内部纵向间隔3 m设置横隔板。本桥下部结构采用方柱式墩，墩高19～21 m，盖梁上设双支座，支座间距为5.4 m。

2 有限元模型建立及抗倾覆分析

采用Midas Civil进行有限元模型计算，全桥主梁采用梁单元进行模拟，共计121个单元，146个节点。

弯箱梁位于小半径曲线上时，曲线梁弯扭耦合受力状态显著，梁体外侧超载，而内侧卸载，导致内外侧支点反力相差较大。在汽车偏载的情况下，内侧支点甚至会出现负反力，若未设置抗拔支座则会导致支座脱空。当内侧单向受压支座脱空时，梁体便有倾覆的可能。由于结构倾覆前并无明显表征，一旦发生，危害极大。因此，对该桥进行了抗倾覆稳定性验算。抗倾覆验算分为支反力验算和抗倾覆系数验算，在下面分别进行计算分析。

2.1 支反力验算

本桥汽车荷载纵桥向按单车道、双车道、三车道进行布载，横桥向分别考虑外偏载、内偏载；汽车荷载加载工况分别考虑《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）[2]规定的标准车道荷载、车辆荷载及超载工况，纵向布置特别的考虑了实际中可能出现的堵车情况，具体见表1。

表1 车辆荷载加载工况

在汽车荷载中载及偏载作用下，支座竖向支反力计算结果见图1。

计算结果表明：同一荷载工况下，边墩支座支反力明显小于中墩处支座支反力，且在极端超载车辆荷载作用下，边墩支座可能最先产生脱空。在运营过程中应进行合理的交通安全组织管理，确保车辆行驶按车道划分运行，控制超载车辆，避免出现极端车辆荷载。

图1 车道荷载作用下支反力

2.2 抗倾覆系数验算

箱梁桥倾覆过程是在汽车荷载的倾覆作用下，单向受压支座依次脱空，由边界条件失效而失去平衡的过程。判定桥梁结构抗倾覆稳定性，首先需要确定倾覆轴线，再根据倾覆轴线计算出倾覆扭矩及抗倾覆扭矩，在此基础上进行评价。现行规范对钢箱梁桥抗倾覆验算还无明确规定，《公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范》（征求意见稿）（2012）中对桥梁的抗倾覆验算有具体规定。无论是混凝土箱梁还是钢箱梁，均假定主梁具有足够的强度及刚度，结构不会先于倾覆发生破坏，结构发生倾覆的力学模型相同，均是全桥绕两支座连线的倾覆轴线而发生整体倾覆，因此本桥在倾覆验算中采用《公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范》（征求意见稿）（2012）中的规定进行计算分析。

本桥全跨均采用双支座。如图2所示，考虑如下2条倾覆轴线：倾覆轴线1：边墩(31#)外侧支座与中墩（32#）外侧支座的连线；倾覆轴线2：两中墩（32#和33#）外侧支座的连线。分别计算每一条倾覆轴线对应的倾覆系数。

图2 倾覆轴线示意图

综合结构倾覆不先于结构延性破坏、实际运营汽车荷载与设计汽车荷载相互关系，确定箱梁桥的抗倾覆系数不应小于2.5。

在恒载和活载作用下，十种活载工况作用下，计算抗倾覆系数结果见表2。

表2 各活载工况下的抗倾覆稳定系数

计算结果表明。钢箱梁在验算荷载工况作用下，抗倾覆验算均满足规范要求；同时应注意到：验算中考虑了汽车荷载超载的工况，抗倾覆稳定系数随着超载水平的提高而明显下降，当车辆荷载超载达到100%时，抗倾覆稳定系数降幅可达50%；钢箱梁较混凝土箱梁自重较轻，所能提供的抗倾覆力矩较小，应在设计中予以重视，如采取支点处箱梁混凝土压重，设置抗拉支座等措施，保证结构具有足够的安全储备。

综上，本桥虽在极端车辆荷载作用下支座可能出现负反力，但依据规范验算结果桥梁满足倾覆验算要求，因此判断弯箱梁桥是否倾覆不能单一的考虑支座反力，应当从多方面进行综合考虑。

3 维护措施研究

钢箱梁桥为运营期间检修及维护，通常在梁体表面开设检修孔。为方便人员进出考虑，本桥在桥墩附近箱梁底板处开设检修孔。本桥为曲线连续钢箱梁桥，桥墩支点处钢箱梁底板承受负弯矩作用最大，钢板承受的压应力最大，易产生应力集中，甚至发生局部屈曲失稳，造成安全隐患。

为保证桥梁的正常安全运营，本桥在底板检修孔处增设局部加劲肋措施，增加检修孔附近结构刚度；同时采用有限元软件ANSYS对本桥检修孔处局部应力进行分析，以保证结构在运营过程中的安全。通过建全桥ANSYS有限元模型，分别对本桥在自重+标准三车道荷载和自重+标准三车道荷载超载50%两种荷载工况进行计算分析，两种荷载工况下底板检修孔局部应力云图见图3、图4。

图3 恒载+标准三车道荷载作用下应力云图

图4 恒载+标准三车道超载50%荷载作用下应力云图

分析计算结果表明：在恒载+标准三车道荷载作用下检修孔局部最大压应力为111.8 MPa，最大拉应力为47.1 MPa；恒载+标准三车道超载50%荷载作用下检修孔局部最大压应力为130.1 MPa，最大拉应力为20.3 MPa，满足规范要求。

当曲线连续钢箱梁桥须开设检修孔时，不仅要考虑检修孔位置的局部应力和局部稳定问题，保证桥梁的正常安全运营；还需考虑方便人员施工和检测。

4 结论

本文以某连续曲线钢箱梁桥为工程背景，对该桥的受力特性、抗倾覆稳定性及后期运营维护措施展开分析与研究，主要结论如下：

（1）曲线连续钢箱梁桥在进行抗倾覆验算时，可分别对支反力及抗倾覆稳定系数进行验算，由于钢箱梁自重较轻，所能提供的抗倾覆力矩有限，故可考虑对《公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范》（征求意见稿）（2012）所规定的抗倾覆稳定系数限值适当放大，防止倾覆病害发生。

（2）综合考虑钢箱梁桥在运营过程中受到的各种因素影响，对可能的维护措施应早考虑，使桥梁方便维修、便于更换相关构件。