基于抗倾覆稳定性的小半径连续弯箱梁桥平面方案布设研究

■刘颖波 荀 绚 官磊磊

(1.苏交科集团股份有限公司， 南京 210019； 2.南京瑞迪建设科技有限公司， 南京 210029)

1 引言

小半径连续弯箱梁桥与路线平面线型匹配度高、造型美观，在高速公路交叉的枢纽工程中应用十分广泛。 但其受力情况比直线梁桥复杂，尤其是在汽车荷载偏心作用下，横桥向抗倾覆稳定性较差。

近年来，诸多学者和工程技术人员从不同角度研究了小半径连续弯箱梁桥的抗倾覆稳定性能。 何雄君等[1]从半径取值、车辆超载程度及支座布置形式等方面研究了小半径独柱墩连续箱梁的抗倾覆性能。 殷新锋等[2]研究了曲率半径、桥梁跨数、梁端支座间距等因素对连续弯箱梁桥抗倾覆稳定性的影响。 张玥等[3]采用仿真计算研究了连续弯箱梁桥在多个因素改变条件下对临界曲率半径的影响。 以上研究均采用了JTG D62-2012 征求意见稿[4]中的倾覆轴线理论，主要研究了独柱墩弯桥的抗倾覆稳定性，尚未从桥梁平面方案布设角度开展研究。

随着2018 年底JTG 3362-2018[5]的实施，桥梁抗倾覆计算方法调整为抗扭支承理论。鉴于此，本文以某高速公路枢纽互通匝道桥为工程实例， 以抗扭支承理论为依据，采用Midas Civil 2019 有限元软件分析了小半径连续弯箱梁桥采用双支座桥墩对抗倾覆稳定性的提升效果， 并在此基础上分别建立了不同跨径、 不同联长的小半径连续弯箱梁桥有限元模型，研究了其对抗倾覆稳定性的影响。

2 计算理论

整体式截面箱梁桥的同一桥墩双支座构成一个抗扭支承，桥梁倾覆失稳表现为：其中一个支座脱离正常受压状态， 即该桥墩的抗扭支承失效，当箱梁的抗扭支承全部失效后， 箱梁桥发生倾覆破坏。

根据新规范[5]，持久状况下梁桥不发生倾覆破坏需同时满足以下规定：

(1)在作用基本组合下，单向受压支座始终保持受压状态；

(2)在作用标准值组合下，整体式截面箱梁桥横桥向抗倾覆稳定系数k 需满足：

式中：Sbk，i为标准组合下使上部结构稳定的效应设计值；Ssk，i为标准组合下使上部结构失稳的效应设计值。

3 模型建立

某高速公路枢纽互通匝道桥平面半径R=60 m，桥梁宽度9 m，单箱单室截面，悬臂长度2 m，横断面布置如图1 所示。 桥面调平层采用6 cm 厚C50混凝土，铺装采用10 cm 厚沥青混凝土。

采用Midas Civil 进行有限元模拟，选取该平面半径下常用的桥跨布置建立模型，如表1 所示。

图1 箱梁横断面图(20 m 跨径)

表1 Midas Civil 有限元模型一览表

主梁采用梁单元，桥面调平层、铺装和防撞护栏考虑为二期恒载，荷载集度为55.1 kN/m，弯桥自重和二期恒载产生的附加扭矩效应按均布扭矩荷载考虑；汽车荷载偏心布置，采用车道荷载按最不利工况依次布置在曲线外侧桥面，离心力采用车辆荷载按均布荷载考虑，设计时速60 km/h、平面半径R=60 m 的弯桥离心力荷载集度为11.5 kN/m。

4 抗倾覆稳定性分析

4.1 双支座桥墩对抗倾覆稳定性的提升效果

选取一联3×20 m 连续弯箱梁桥作为研究对象， 分别建立了双支座中间墩和单支座中间墩两种计算模型(图2～3)，得到了最不利工况下的支座反力和抗倾覆稳定系数，如表2 所示。基本组合下单支座中间墩模型端支点曲线内侧出现了支座脱空，不满足规范要求；双支座中间墩模型能够大幅改善支座脱空现象，但支座压力富余值不大；标准值组合下单支座中间墩模型抗倾覆稳定系数仅0.7＜2.5，不满足规范要求，双支座中间墩模型大大提高了抗倾覆稳定性， 抗倾覆稳定系数达到了6.8＞2.5，满足规范要求。

图2 双支座中间墩连续弯箱梁桥有限元模型(20 m 跨径)

图3 单支座中间墩连续弯箱梁桥有限元模型(20 m 跨径)

表2 3×20 m 连续弯箱梁桥不同支座中间墩模型最不利工况计算结果

4.2 不同跨径对抗倾覆稳定性的影响

根据以上结果，分别选取一联3×20 m、3×25 m和3×30 m 连续弯箱梁桥进行研究， 建立了双支座中间墩计算模型，得到了最不利工况下的支座反力和抗倾覆稳定系数(表3)。 标准值组合下3×20 m 连续弯箱梁桥抗倾覆稳定系数为6.8，3×25 m 弯箱梁桥抗倾覆稳定系数7.5，提升了10%，但在基本组合下3×25 m 连续弯箱梁桥边墩曲线内侧出现了支座脱空，支反力为-46.2 kN，不满足规范要求。 标准值组合下3×30 m 连续弯箱梁桥抗倾覆稳定系数仅为3.3，基本组合下支反力达到-375.5 kN，抗倾覆稳定性最差。

表3 不同跨径连续弯箱梁桥双支座中间墩模型最不利工况计算结果

4.3 不同联长对抗倾覆稳定性的影响

综上所述， 选取20 m 跨径双支座中间墩连续弯箱梁桥作为研究对象，分别建立了4 种不同联长的计算模型，得到了最不利工况下的支座反力和抗倾覆稳定系数,如表4 所示。基本组合下不同联长模型均未出现支座脱空，支座压力富余值随着联长的增加而增大，当联长达到5 时，支座压力富裕值反而变小；标准值组合下抗倾覆稳定系数均大于2.5，满足规范要求， 且随着联长的增加呈增长趋势，增长率达到10%～16%。

表4 不同联长连续弯箱梁桥双支座中间墩模型最不利工况计算结果

5 结论

抗倾覆稳定性是互通匝道小半径连续弯箱梁桥设计需重点考虑的内容。 本文通过建立小半径连续弯箱梁桥模型进行研究，得出以下结论。

(1)与单支座桥墩相比，双支座桥墩能够大大提高小半径连续弯箱梁桥的抗倾覆稳定性，在实际工程中应尽量避免采用单支座桥墩方案。

(2)平曲线半径R=60 m 的连续弯箱梁桥，3×20 m和3×25 m 跨径抗倾覆稳定系数相差不大， 但由于25 m 跨径车道荷载集中力的提高，最不利工况下端支点曲线内侧支座出现了脱空现象，因此在小半径匝道上尽量采用小跨径布设桥梁方案，有利于提高抗倾覆稳定性。

(3)相同跨径下联长越长，抗倾覆稳定性越好，但考虑小半径弯桥分联过长存在内外侧梁长变形不一致、预应力损失大、容易出现横向爬移等问题，一般工程中取3～4 孔一联为宜。