独柱双支撑连续箱梁桥横向抗倾覆稳定性分析

孙琪凯，高 岩

(中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081)

独柱式连续箱梁桥具有力线流畅、桥下通视、施工方便、占地量少等优点，且因其整体性好、行车舒适度较高而被广泛应用于公路桥梁建设[1-3]。根据中墩支座数量不同，独柱式连续箱梁桥可分为独柱单支撑和独柱双支撑2种。我国现行公路桥梁规范的结构设计重点主要集中在梁体抗弯、抗剪承载能力等方面[4]，对偶然偏心荷载作用下的结构横向抗倾覆稳定性关注不足，导致独柱墩桥梁垮塌事故时有发生。

近年来，独柱墩横向抗倾覆稳定性的研究逐渐受到重视，如JTG D62—2012《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(征求意见稿)》中提出了抗倾覆稳定系数的概念来描述结构的横向稳定安全性[5]。但研究者的关注点主要集中在独柱单支撑式桥梁，对于独柱双支撑式桥梁则关注不足。独柱双支撑式桥梁因受桥墩顶面空间限制，独柱双支撑中墩支座横向间距一般较小，在车辆偏载作用下，也有较大可能发生整体横向倾覆。但相对于独柱单支撑，其横向抗倾覆稳定性得到很大改善。

为了研究独柱双支撑式连续箱梁桥横向抗倾覆稳定性能及相对于独柱单支撑的改善情况，本文以两联(3×20)m分别采用独柱单、双支撑的钢筋混凝土连续箱梁桥作为基本结构。建立不同曲线半径、不同边墩支座间距的有限元模型，研究边墩支座最小反力变化规律。通过边墩支座反力的大小，反应桥梁的横向抗倾覆能力。

1 结构概况

1.1 基本结构

选择桥跨布置为(3×20)m钢筋混凝土连续箱梁作为基本研究对象[6-7]。箱梁截面为单箱单室，顶板宽8.0 m，行车道宽7.0 m，底板宽4.0 m，悬臂长2.0 m，梁体全长等高为1.4 m，箱梁标准截面见图1。

图1 箱梁标准截面(单位：cm)

独柱单支撑式桥梁2个边墩均采用2个盆式橡胶支座，对称箱梁中心线布置；中墩采用1个盆式橡胶支座。独柱双支撑式桥梁边墩、中墩均采用2个盆式橡胶支座，中墩支座间距为1.5 m，支座均对称箱梁中心线布置。

1.2 计算模型及参数

采用桥梁结构专业分析软件MIDAS/Civil 2015建立空间杆系有限元模型进行结构分析，模型共划分80个单元[8-9]。验算模型见图2。

图2 连续箱梁验算模型

计算模型中，箱梁梁体采用C40混凝土。其恒载包括自重和二期恒载。混凝土自重按26 kN/m3计；二期恒载包括10 cm厚桥面混凝土铺装层和防撞墙，其中桥面铺装按18.2 kN/m计，单侧防撞墙按6.7 kN/m计。活荷载采用公路-Ⅰ级进行偏载加载。

计算时考虑混凝土收缩徐变、温度荷载及基础沉降等作用，并按如下参数取值：

1)混凝土收缩应变和徐变系数均按规范JTG D60—2015由程序自动计算。

2)常年温差按±20 ℃考虑。桥面采用水泥混凝土铺装，箱梁升温温差T1=25 ℃,T2=6.7 ℃，降温效应为升温效应的0.5倍。

3)计算时按沉降5 mm取值。

1.3 分析内容

本文以1.1及1.2节中结构类型为基础，从以下2个方面分析独柱双支座连续箱梁的横向抗倾覆稳定性。

1)不同曲线半径对桥梁的横向抗倾覆性能的影响。计算曲线半径为R=50，100，200，300，400，500，750，1 000，3 000 m和直线桥10种工况，活载偏载作用下边墩支座反力[10]。

2)不同边墩支座间距对桥梁的横向抗倾覆性能的影响。计算边墩支座间距为D=2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0，5.5，6.0 m 9种工况，活载偏载作用下边墩支座反力[11]。

2 分析结果

2.1 曲线半径

按照结构概况中的结构尺寸和建模方法，边墩支座间距为3.0 m时，计算曲线半径10种工况下，独柱单支撑和独柱双支撑边墩支座最小反力，并绘制曲线半径-支座反力折线图，如图3所示。

图3 曲线半径-支座反力关系

由图3中数据分析可得：

1)对于独柱单支撑和独柱双支撑曲线梁桥，活载偏载作用下，边墩曲线内侧支座最小反力均随曲线半径增大而增大，且在曲线半径较小时，变化率较大；曲线半径超过某个值后，变化率变小，边墩内侧支座反力维持基本稳定。

2)对于独柱单支撑和独柱双支撑曲线梁桥，活载偏载作用下，边墩曲线外侧支座最小反力随曲线半径变化率较小，基本保持稳定。

3)独柱双支撑式桥梁内侧支座反力大于独柱单支撑，且曲线半径越小，两者差值越大。

根据以上计算分析结果可知，独柱双支撑式桥梁能够较大程度地降低边墩内侧支座脱空的风险，增强梁体的抗倾覆稳定性，且桥梁曲线半径越小，效果越明显。

2.2 边墩支座间距

梁体曲线半径分别取R=50，500 m，直线桥时，计算边墩支座间距9种工况下独柱单支撑和独柱双支撑边墩支座反力，并绘制支座间距-支座反力折线图，曲线梁的折线图见图4。

图4 边墩支座间距-支座反力关系

由图4中数据分析可得：

1)对于独柱单支撑和独柱双支撑曲线梁桥，活载偏载作用下，边墩曲线内侧支座最小反力随边墩支座间距增大而增大；但变化率随边墩支座间距增大而减小；端支座间距超过某个值后，边墩内侧支座反力基本保持稳定，桥梁曲线半径越大，该值越小。

2)对于独柱单支撑和独柱双支撑曲线梁桥，活载偏载作用下，边墩曲线外侧支座最小反力随边墩支座间距变化率较小，基本保持稳定。

3)独柱单支撑和独柱双支撑曲线梁桥边墩曲线外侧支座反力基本相等。说明双支撑对边墩外侧支座影响较小。

4)独柱双支撑式桥梁内侧支座反力大于独柱单支撑，且边墩支座间距越小，两者差值越大。

根据以上计算分析结果可知，对于任意边墩支座间距桥梁，独柱双支撑均能够较大程度地增强梁体横向抗倾覆稳定性，且支座间距较小时，效果更明显。

3 结论

根据两联(3×20)m独柱单、双支撑的钢筋混凝土连续箱梁横向抗倾覆性能对比分析结果可得结论如下：

1)独柱双支撑式桥梁能够较大程度的降低边墩内侧支座脱空的风险，增强梁体的抗倾覆稳定性，桥梁曲线半径较小且边墩支座间距较小时效果明显。

2)独柱双支撑桥梁边墩内侧支座反力随曲线半径增大而增大；但曲线半径超过某个值后，支座反力基本保持稳定。曲线半径越小，曲线半径的变化对内侧支座反力影响越大。

3)独柱双支撑桥梁边墩内侧支座反力随边墩支座间距增大而增大；但边墩支座间距超过某个值后，支座反力基本保持稳定。

4)设计曲线半径较小的桥梁，可通过改独柱单支撑为双支撑，以有效提高结构横向抗倾覆稳定性。

5)适当增大边墩支座间距，即可较大程度地提高桥梁横向抗倾覆能力。