连续箱梁桥抗倾覆稳定性分析

肜 辉

(中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，河南郑州 450001)

在城市高架桥梁的设计和建造过程中，由于地面道路的存在，需要尽量优化桥下空间，造成横向支承距离较小的桥墩形式的大量应用，这种桥墩形式不仅节省桥下土地空间，还有利于视野的通透性，桥墩造型也比较美观。这种桥墩形式的过度使用，也导致了一些桥梁横向失稳甚至垮塌。2007年以来，天津、南京、哈尔滨、开封、河源等地陆续出现匝道桥梁侧向失稳甚至垮塌的事故。事故桥梁有一些共同的特点：上部结构为单向受压支座支承的整体式连续箱梁，桥台或交接墩处采用两个支座支承，其余桥墩全部或者部分采用一个支座支承。为保障城市高架桥梁的运营安全，在桥梁设计过程中进行抗倾覆稳定性分析势在必行。

研究发现：橡胶支座的变形会降低箱梁的横向倾覆稳定性[1]，支座间距对整体箱梁的横向受力有较大影响[2]，而且支座间距的变化会引起整体箱梁倾覆轴线位置的变化，对支座反力的分布及整体箱梁的抗倾覆性能也有一定影响[3]；也有学者认为车辆偏载是造成桥梁倾覆的主要原因[4]。王磊等利用推导公式对部分匝道的抗倾覆系数进行了验算，认为结构自重、桥面宽度及支座间距是影响桥梁抗倾覆能力的重要因素[5]。目前，行业内仅对桥梁倾覆规定了两个典型特征状态，即某一单向受压支座脱空和箱梁抗扭支承整体失效，属于原则性的评判标准，并未给出荷载选取办法和大跨径变截面宽桥的抗倾覆稳定性计算方法。以下将结合规范中横向抗倾覆稳定性计算方法定量的对变高变宽连续箱梁桥进行分析，并提出相应的桥梁抗倾覆稳定性分析方法和判断准则[15]。

1 工程概况

郑州市四环线及大河路快速化工程位于郑州市主城区与外围区域的交界处，由大河路、东四环、南四环及西四环组成闭合环线，路线全长约93.030 km。西四环化工路立交主线桥梁左右分幅，标准段单幅桥宽有16.5 m和20.5 m两种，其中西四环跨化工路右幅节点桥采用(40+66+40) m连续箱梁(平面布置如图1所示)，桥面宽度为20.5～27 m，下部结构接匝道侧桥墩采用门架墩、钻孔灌注桩基础，其余桥墩采用双柱矩形实心墩、钻孔灌注桩基础[6]。

图1 西四环跨化工路右幅节点桥平面布置(单位：m)

2 主要技术标准及设计参数

(1)设计荷载：城—A级[7]；

(2)道路等级：城市快速路80 km/h；

(3)安全等级为一级，相应的结构重要性系数γ0=1.1[7]；

(4)材料自重：预应力钢筋混凝土自重取26 kN/m[8]；

(5)地震动峰值加速度为0.15g[9]，场地特征周期为0.4 s，抗震设防分类为乙类；

(6)桥墩不均匀沉降：主墩按15 mm计算，边墩按10 mm计算[10]；

(7)全桥整体升温26 ℃，整体降温27 ℃；

(8)全桥梯度温度：按照规范要求，取10 mm厚沥青铺装[8]。

3 桥梁结构要点

3.1 上部结构

上部结构采用单箱四室截面，中支点梁高3.6 m，端支点及跨中梁高2.2 m，梁底线形按二次抛物线变化，端部等高段长10.42 m。箱梁悬臂2.5 m，箱梁跨中区域顶板厚0.25 m，底板厚0.25 m，腹板厚0.45 m，支点处顶板加厚至0.45 m，底板加厚至0.45 m(66 m跨左右支点处1.0 m)，腹板加厚至0.8 m，标准横断面如图2所示。

图2 箱梁标准横断面(单位：mm)

3.2 下部结构

主跨桥墩采用双柱式矩形实心墩，柱间距为5.5 m，截面尺寸为2.0 m(横桥向)×2.4 m(顺桥向)，墩高15.5 m。

4 上部箱梁抗倾覆稳定性分析

4.1 抗倾覆稳定性分析方法

(1)单向受压支座受压分析

规范规定，在荷载(作用)基本组合下，整体式连续箱梁的单向受压支座均应处于受压状态。在计算中应考虑汽车车道荷载(含冲击力)设计值、车辆荷载密布荷载、成桥内力(自重、二期恒载、预应力、收缩徐变)、支座沉降、温度作用等设计值基本组合下支反力是否为负值。

(2)正交桥梁和斜交桥梁倾覆失稳情况分析

首先需要确定整体式连续箱梁的倾覆轴线，倾覆轴线的具体取法：正桥和斜交角不大于30°的斜桥，可以选取整体式连续箱梁中心线同一侧墩台支承连接线作为箱梁的倾覆轴线。按作用标准值进行组合时，整体式截面简支梁和连续梁的作用效应应符合下式要求[11]

(1)

式中kqf——横向抗倾覆稳定性系数，取；

∑Sbk，i——使上部结构稳定的效应设计值；

∑Ssk，i——使上部结构失稳的效应设计值。

4.2 判断准则

经分析发现，倾覆桥梁的破坏过程呈现为：单向受压支座不再均匀受压(出现零压力甚至脱空)，整体式连续箱梁的边界支承约束趋于失效，上部箱梁扭转变形开始发散，横桥向倾覆失稳，支座和上、下部的连接件破坏[12]。按照可靠度标准规定，此类损坏属于极限承载力超标。

结构倾覆过程经历了两个明显的特征状态：①整体式连续箱梁的单向受压支座逐渐不再受压，甚至出现脱空；②整体式连续箱梁的所有抗扭边界条件全部失效。参照国内、国际相关标准规范，以这两个典型的特征状态作为整体式连续箱梁抗倾覆稳定性分析的两个验算工况。

特征状态①：在荷载基本组合下，整体式连续箱梁的单向受压支座不应脱空。

特征状态②：整体式连续箱梁每个桥墩上的一组支座构成一个抗扭边界条件，对箱梁的扭矩及扭转变形形成双重约束；当两个支座中的一个脱空后，另一个支座仅对扭矩有约束，对扭转变形的约束将失去效用；随着整体式连续箱梁抗扭约束的全部失效，桥梁将处在倾覆失稳的极限状态[13]。

4.3 计算分析模型

箱梁混凝土强度等级为C50，按A类预应力混凝土构件设计，纵向预应力钢绞线采用两端张拉；横梁配置横向预应力钢绞线，采用单端张拉[14]。预应力钢筋与管道壁的摩擦系数μ=0.17，预应力钢筋锚下的张拉控制应力值0.72fpk=1 339.2 MPa，管道每米局部偏差对摩擦的影响系数k=0.001 5，采用钢制锥形锚具时锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩值为每端6 mm。用MIDAS Civil 2017及Civil Designer有限元分析软件进行建模计算，将整体式连续箱梁划分为77个空间杆系单元，并根据实际情况模拟相应的边界条件，对整体式连续箱梁进行抗倾覆稳定性分析。箱梁整体分析模型如图3所示。

图3 箱梁整体分析模型

4.4 箱梁单向受压支座受压分析

根据有限元软件计算，箱梁在结构恒载、温度作用、不均匀沉降以及规范规定的汽车荷载作用下，各支座的反力如表1。

表1 支座反力统计 kN

从表1可以看出：

(1)本联箱梁在各种荷载基本组合作用下支座均处于受压状态，不会出现脱空现象。

(2)对于箱梁的整体倾覆稳定性，结构恒载和汽车荷载是主要影响因素，其他作用(荷载)影响较小。

4.5 箱梁抗倾覆安全系数分析

结合以上有限元模型分析，主要考虑结构恒载、汽车荷载、温度作用、支座沉降以及支座间距对箱梁整体抗倾覆稳定性的影响。城市高架桥梁经常出现堵车现象，故汽车荷载不仅应考虑车道荷载，还应考虑车辆荷载密布的情况。

该节点桥的桥面汽车荷载及支座布置如图4所示(设计支座间距为5.5 m)。根据预应力横梁计算，04Y036号墩处荷载主要集中在中间支座，而中间支座基本位于04Y033和04Y035号墩右侧支座的连线上，依据4.2节分析，倾覆轴线近似取04Y033和04Y035号墩右侧支座的连线。

作为倾覆荷载的车道及车辆主要布置在倾覆轴线右侧，汽车荷载主要加载方式如图5所示。

图4 箱梁支座布置(单位：mm)

图5 汽车荷载加载方式(单位：mm)

本桥梁为城市高架主线桥，横向抗倾覆稳定性系数应适当提高，取kqf=3。

用公式(1)计算不同支座间距下本桥的横向抗倾覆稳定性系数，如表2。

表2 不同支座间距下的横向抗倾覆稳定性系数

注：表中车道荷载、车辆荷载均按《城市桥梁设计规范》(CJJ 11—2011)选取[7]。

从表2分析可以得出如下结论：

(1)支座间距不小于4.5 m时，桥梁的横向抗倾覆稳定性系数满足要求。

(2)抗倾覆稳定性分析中倾覆力矩主要由密布车辆荷载控制，抗倾覆力矩主要由结构恒载提供。

(3)支座间距越小，抗倾覆力矩越小，而倾覆力矩越大，因此横向抗倾覆稳定性系数越小。

在路线总体平面确定的情况下，上部整体箱梁结构形式相应地基本确定，结构恒载、车辆荷载及其分布不会再有改变，唯一可以调节的就是下部支座间距。由上述分析结果可以看出：增大支座间距不仅可以减小倾覆力矩，还能大幅增加结构的整体抗倾覆稳定性能。

5 结束语

(1)该桥在各种荷载(作用)基本组合下，单向受压支座均处于受压状态，满足规范要求。

(2)结构恒载、汽车荷载以及支座间距是箱梁横向抗倾覆稳定性系数的主要影响因素。支座间距越小，抗倾覆力矩越小，而倾覆力矩却越大，横向抗倾覆稳定性系数越小。建议主线整体式箱梁桥支座间距不小于4.5 m。

随着我国城市交通建设的飞速发展，高架桥梁的建设也会越来越多，桥下空间也会越来越多的被利用。因此，桥梁的整体抗倾覆稳定性必须引起桥梁设计师们的充分重视，即不应过度地增大悬挑距离和减小支撑间距。