城市小半径匝道钢箱梁桥抗倾覆设计

章 凯 （合肥市市政设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230041）

随着国家大力推广装配式建筑政策，城市快速路桥梁装配式方案日益增多。钢箱梁桥具有制造工艺成熟、架设方便快捷、有效缩短施工工期、适合装配式施工等优点，在城市高架快速路特别是互通立交小半径匝道中应用广泛。但是小半径钢箱梁桥由于曲线半径小，汽车荷载偏载大，结构本身自重小，曲线内外侧支座反力差别大，支座容易脱空，极端条件下甚至倾覆，设计应充分认识其风险性，加强抗倾覆设计，通过设计手段在工程源头确保桥梁结构安全。

1 桥梁抗倾覆设计规定

近年来，城市桥梁倾覆时有发生，造成人民生命财产损失，引起广泛的社会关注。虽然桥梁倾覆绝大部分均是由车辆超载大幅度超过桥梁设计荷载引起，但如何提高桥梁的抗倾覆性能已是迫切需要解决的问题。业界对桥梁倾覆失稳破坏过程已充分研究，理论成熟，《公路钢结构桥梁设计规范》已对抗倾覆作出明确规定：在作用基本组合下，单向受压支座始终保持受压状态；按作用标准值进行组合时，横桥向抗倾覆稳定性系数不小于2.5。

2 桥梁抗倾覆措施

目前钢箱梁桥的抗倾覆措施主要有四种方式：

①采用双柱墩或者门式墩，增大支座间距。

②支座处设置横向偏心，改善内外支座的不平衡受力，减小偏载效应。

③通过在支点处钢箱梁内部配重，增加恒载支座反力，抵抗汽车偏载引起的支座负反力。

④改变桥梁结构形式，桥梁中墩与钢箱梁固接，桥梁结构形式由连续梁调整为连续刚构体系。

在实际工程设计中，城市匝道桥由于用地条件、道路分隔带宽度限制，双柱墩或门式墩占地较大，且景观效果不佳，应用较少。比较普遍的做法即采用设置横向偏心、钢箱梁配重和墩梁固接，在桥梁跨径较大、曲线半径较小时，也常采用三者组合的方式。

3 桥梁抗倾覆设计计算

本文通过实际工程案例，建立空间有限元模型，计算分析钢箱梁桥的抗倾覆性能。

3.1 工程概况

某互通匝道平曲线半径90m，匝道桥需跨越现状地铁车站，采用（40+46+40）m三跨连续钢箱梁，匝道桥宽9m，设双支座，支座间距2.4m，标准梁高2.2m，单向2车道，桥墩为钢筋混凝土矩形桥墩，墩高15m，桥面为10cm双层SMA铺装，钢筋混凝土防撞护栏。汽车设计荷载为城-A级，其他荷载按照规范执行。

3.2 有限元模型

采用有限元计算软件桥梁博士V4.2建立空间模型，钢箱梁截面考虑纵向加劲肋，横隔板自重采用线性荷载模拟。

因跨径大、半径小，经试算，仅采用设置支座横向偏心或者配重法抗倾覆计算均不满足规范要求，本次设计考虑多种抗倾覆措施结合设计，在桥梁端横梁处设置20 cm向外横向偏心并采用钢渣混凝土配重，钢渣混凝土容重按照40 kN/m3考虑，2个中墩与钢箱梁固接，形成刚构体系。

图1 全桥空间有限元模型

图2 钢箱梁横断面图

桥梁中墩为矩形截面，中墩与钢箱梁采用刚性连接模拟墩梁固接。端横梁处全断面配置钢渣混凝土，配重段长5m，配重荷载为493 kN/m。

图3 钢箱梁全断面配重

3.3 计算结果

根据有限元计算结果，该钢箱梁端横梁处在基本组合、标准组合下支座反力如表1所示。

表1表明，基本组合下箱梁内外侧支座最小支反力差异较大，但通过抗倾覆构造措施后，箱梁内侧支座始终保持受压状态，并有一定富余，满足规范要求。

图4 基本组合桥梁横桥向弯矩图

通过墩梁固接措施，钢箱梁不存在倾覆情况，但图4表明，桥墩受力较常规连续梁弯矩增加较多，横向最大弯矩为12028.5 kN·m，受力非常复杂。

端横梁荷载组合支反力表 表1

表2表明，设置横向偏心后，仅考虑钢箱梁自重和二期恒载作用，箱梁内外侧支座支反力差异仍然巨大，汽车荷载偏载的内侧受拉支反力标准值已超过恒载受压支反力标准值，标准组合下，箱梁内侧支座已出现受拉，支座脱空。考虑端部配重后，恒载受压支反力增加较大，改善支座脱空效果显著。

4 结语

部分单项荷载支反力表 表2

通过以上计算分析，小半径连续钢箱梁结构虽然施工快捷、结构受力性能好，但由于自重小，本身抗倾覆能力不足，需要通过增加措施，提高其抗倾覆性能，满足规范要求。

①钢箱梁内部配重是增加抗倾覆性能最直接的措施，施工方便，效果显著，尤其在直线桥中，大部分仅靠配重即可解决。钢渣混凝土由于其容重较大，性能稳定，应用逐渐广泛。

②城市互通受用地限制，匝道采用双柱墩条件受限，墩柱尺寸较小，建议可增设盖梁，加大支座间距，改善支座受力状态。

③小半径钢箱梁桥通过设置支座偏心，能改善箱梁内外侧支座反力不平衡。建议平曲线半径小于150 m时，设置横向偏心。

④当墩柱高度较高时，可通过墩梁固接，改变桥梁的结构形式，桥梁则不会倾覆，但桥墩受力较常规连续梁桥变化大，设计时应充分考虑下部结构的计算分析。

⑤小半径钢箱梁桥偏载严重，桥梁越长，偏载效应越明显，建议一联桥长不宜超过150 m。