钢箱梁桥抗倾覆稳定性关键技术研究

2018-10-09 08:13:16汪瑞

城市道桥与防洪 2018年9期

汪瑞

（上海中建申拓投资发展有限公司，上海市 201206）

0 引言

城市高架桥在下部结构设计时，为减少占用桥下空间，中墩常采用独柱单支座或支座间距较小的双支座形式。曲线钢箱梁在“弯一扭”耦合作用和活载偏载作用下，可能会引起支座脱空[1]。随着倾覆荷载的不断增加，受压支座依次脱空，边界条件失效直至倾覆，期间并无预兆，危害极大。此外，施工荷载的不对称分布，例如浇注防撞护栏不对称施工也容易引起钢箱梁桥在施工过程中倾覆。钢箱梁倾覆与钢箱梁线型，梁端支座间距，中墩是否单点支撑，是否压重，是否超载，施工荷载等密切相关，设计此类桥梁时应该谨慎考虑，形成抗倾覆验算标准。

1 抗倾覆影响因素分析

1.1 最不利抗倾覆轴

倾覆的过程是首先出现支座脱空，钢箱梁向一侧旋转，最后以沿着某直线轴刚体转动而倾覆。可能的倾覆轴为支座的连线。

对于复杂的弯曲钢箱梁，倾覆荷载效应复杂，钢箱梁可能沿着任一倾覆轴转动。因此抗倾覆计算最重要的是确定最不利倾覆轴。假定如下：

第一，钢箱梁应力，挠度等均满足要求，只发生横向倾覆破坏；

第二，不考虑支座大小。

以连续钢箱梁为例，不考虑支座偏心。如图1（a）倾覆轴有两条（a、b），由不利活载布置区域面积大小（防撞护栏外边线偏0.5 m为防撞护栏内边线，车轮距离内边线距离0.5 m[2]）很容易确定倾覆轴a为最不利倾覆轴。

如图 1（b）（c），三跨连续弯曲钢箱梁平面，倾覆轴为a和b，则倾覆轴a和b的抗倾覆安全系数如公式2.1.1，2.1.2[3]，一般要求抗倾覆安全系数大于或等于2.5[3]。

图1 抗倾覆关键因素示意图

式中：Ka、Kb 为抗倾覆安全系数；Lai、Lbi为各支座到倾覆轴线的垂直距离；Ri为恒载作用下支座反力；M、N 为不利活载布置区域；Lamax、Lbmax为车道荷载集中力到抗倾覆轴的最大距离。

利用M i das2016软件建立空间杆系模型进行分析。钢箱梁支座间距3 m，桥宽8.5 m，跨径按3×20 m、3×30 m、3×40 m 曲率半径按 R=100 m、200 m、300 m、400 m、1 000 m 直线变化。考虑弯曲钢箱梁由于内外侧圆弧长度不一致产生的恒载作用下扭矩，不考虑支座偏心。一期恒载450 kg/m2，二期恒载考虑桥面铺装，防撞护栏等。活载考虑冲击系数，按公路I级取值。计算轴线a（中墩支座连线）和b（端支座和中墩支座连线）的抗倾覆安全系数 Ka、Kb，计算结果见图 2。

图2 不同跨径和曲率半径组合下抗倾覆稳定性安全系数

图2列出了3×20 m、3×30 m、3×40 m 钢箱梁曲率半径从100 m～∞变化时a轴，b轴抗倾覆安全系数。由图2可知：

（1）随着钢箱梁曲率半径的增大，抗倾覆安全系数a轴和b轴都呈减小趋势；随着钢箱梁跨径减小，抗倾覆稳定安全系数相应减小，对于小半径，小跨径钢箱梁需特别注意其抗倾覆稳定性。

（2）当曲率半径较小时，三跨等跨连续梁中，中墩支座连线a轴为最不利抗倾覆轴。当曲率半径大于1 000 m后，a轴b轴抗倾覆安全系数较为接近，曲率半径无穷大时，a轴b轴抗倾覆安全系数相等。

（3）直线钢箱梁抗倾覆安全系数最小，在相同条件下比曲线钢箱梁更容易倾覆。因为直线钢箱梁抗倾覆轴连线经过的支座个数较多，余下支座的恒载反力提供抗倾覆力矩较小。

所以当抗倾覆轴连线经过两个以上支座时，抗倾覆安全系数会偏小，设计时需通过支座偏心或支座间距调整避免此情况发生。

1.2 梁端支座间距

支座脱空是钢箱梁刚体倾覆破坏开始的必要条件，此时边界条件发生变化，对行车舒适性也有较大影响。因此规定在最不利荷载标准组合作用下（活载考虑冲击系数），曲线钢箱梁支座不能出现负反力，即在一期二期恒载作用下，曲线钢箱梁支座反力需有足够的安全储备。

中墩采用独柱单点支撑的弯桥，中支点只是起到减小弯曲长度的作用，受扭跨度为全长。中墩采用双支座的弯桥，减小了受扭跨度，使梁端抗扭支撑的扭矩峰值得到降低[4]。

以中墩双支座，桥跨3×30 m，桥宽8.5 m，曲率半径R=100 m的弯曲钢箱梁为例，控制其他因素不变，支座不设偏心，仅考虑梁端支座间距按照1.8 m、2.4 m、3 m、3.6 m变化，支座编号见图3（a），支座反力见图 3（b，c，d），抗倾覆安全系数见图 3（e）。

通过梁端支座间距参数变化，可知：

（1）由图 3（b）（c）（d），改变梁端支座间距，中墩支座反力影响很小。

（2）由图 3（b），恒载作用下，梁端支座间距越大，曲线内侧支座反力增大，外侧支座反力减小。

（3）由图 3（c）（d），在标准组合作用下，随着支座间距的增大，梁端内外侧支座反力最小值增数值上均呈增大趋势；梁端内侧支座反力最大值基本不变，梁端外侧支座反力减小。

（4）由图3（c），梁端支座间距的增大对减小负反力有有利作用，梁端内侧支座最容易脱空，设计时，内侧支座向曲线外偏心，防止内侧支座出现负反力。

（5）由图3（e）梁端支座间距增大对a轴（中墩支座连线轴）抗倾覆安全系数影响较小，而对于b轴（梁端支座与中墩支座连线轴），随着梁端支座间距增大，抗倾覆安全系数Kb增大。因此对于最不利倾覆轴为a轴时，梁端支座间距增大，对抗倾覆影响较小，仅能改善梁端内侧支座负反力；对于最不利倾覆轴为b轴时，梁端支座间距增大，对抗倾覆安全系数有利。

（6）对比图 3（c）和（e）可知，抗倾覆安全系数很大，并不能保证标准组合下不出现负反力。出现负反力是倾覆的前提，考虑到目前汽车超载严重，建议按1.2倍倾覆荷载（活载考虑冲击系数）和1.0倍的抗倾覆荷载组合下，支座不出现负反力指导设计。

图3 支座编号与受力示意图

1.3 支座转角

曲线钢箱梁在外部荷载作用下会发生整体扭转变形，对于中墩为独柱墩单支座桥梁或者出现支座脱空的双支座桥梁，过度的梁体扭转变形会导致支座转角超过限值而破坏。此时一般认为桥梁支座会产生较大位移，引起梁体滑动或转动，对倾覆稳定性不利。

考虑即使刚体倾覆破坏时，支座也不会破坏。建议按2.5倍倾覆荷载（活载考虑冲击系数）和1.0倍的抗倾覆荷载组合下，单支座转角不超过限值，双支座如果出现支座脱空，受压支座转角不超过限值来指导设计。即支座转角安全系数与抗倾覆安全系数一致。

1.4 抗倾覆措施

钢箱梁倾覆往往突然发生，造成巨大的伤亡和损失。因此为避免倾覆破坏发生，在满足上述抗倾覆安全系数，支座脱空，支座转角的要求时，还需加强构造措施，进一步提高抗倾覆安全性。常用的方法如下：

（1）联端钢箱梁内灌素混凝土，增加恒载作用下支座反力的安全储备。但混凝土配重和箱室大小有关，设计时考虑混凝土很难充满整个箱室，故一般考虑0.8左右的折减系数。

（2）边支座顶升或中支座下沉。通过边支座顶升或中支座下沉可以在一定范围内提高边支座反力的安全储备。但对于跨径较大，整联梁线刚度较小的钢箱梁效果并不明显。

（3）防撞护栏对称施工。防撞护栏相对钢箱梁较重，如果一侧非对称施工，很容易造成事故。南京城市内环西线南延工程“11.26”事故的重要原因就是因为防撞护栏非对称施工造成钢箱梁整体倾覆。

（4）设置钢箱梁纵横向挡块。挡块的设置可以防止较大的纵横向位移和落梁，提高钢箱梁抗倾覆的安全性。

2 工程实例分析

松江区现代有轨电车示范线工程-T1线闵申路高架项目，该高架桥有一联为两跨连续钢梁，跨径组合为23.382 m+31.2 m=54.582 m。横断面布置为：0.5 m（防撞护栏）+6.5 m（人行道）+0.5 m（防撞护栏）=7.5 m。曲率半径R=100 m。平面布置见图4。

图4 平面和标准横断面示意（单位：cm）

采用M i das建立连续钢箱梁的有限元模型。箱梁顶宽7.2 m，箱梁底宽5.1 m，梁高1.8 m，支座间距3.2 m，设置支座偏心。截面顶板厚度为14 m m，腹板厚度为12 m m，底板厚度为12 m m。连续钢箱梁桥自重按470 kg/m2考虑，二期恒载包括铺装和防撞护栏，汽车荷载城-B，其他荷载按规范取值。各工况下支座反力见表1。