预应力混凝土连续箱梁桥抗侧翻设计关键参数

林上顺，叶世集，林永捷，何鑫龙，林玉莲

(1.福建工程学院 土木工程学院， 福建 福州 350118；2.中国中铁二局 第三工程有限公司， 四川 成都 610000；3.福州旌研工程科技有限公司， 福建 福州 350006)

预应力混凝土连续箱梁桥在我国公路桥梁及城市互通式立交匝道中得到广泛的应用[1]。然而近年来这种桥型却频繁出现侧翻事故[2-3]，如2007年10月内蒙古包头市民族东路高架桥，2009年7月晋津高速公路A匝道桥，2010年11月江苏省南京市城市内环西线快速路的南延工程匝道，2011年2月浙江省上虞市县道南春线西道桥，2012年8月尔滨三环路高架桥洪湖路上桥匝道，2015年6月广东广州城南出口处匝道，2019年10月江苏无锡G312国道某桥。以上连续箱梁桥侧翻的事故发生时主要表现为：在严重超载作用下，主梁翻落至底面，结构整体性基本完好。究其原因，除了车辆超载因素之外，连续箱梁在偏心荷载(尤其是超载)作用下的横向稳定问题也是今后需要重点关注的内容。

目前国内外已有一些学者对预应力混凝土连续梁桥的抗倾覆影响因素和桥梁倾覆破坏机理进行了研究。曹景等[4]对比了直线桥和曲线桥的抗倾覆能力，并推导了这两种桥型的抗倾覆稳定系数计算公式；陈彦江等[5]以小半径曲线梁桥为研究对象，对比了不同桥梁参数对抗倾覆性能的影响；庄冬利[6]探讨了汽车荷载的偏载对于箱梁桥倾覆稳定性的影响；彭卫兵等[7]对超载下独柱墩桥梁的倾覆破坏机理进行了研究；熊文等[8]以哈尔滨阳明滩大桥倾覆事故为例，研究了独柱墩梁桥的倾覆机理，并对其安全性进行了评价。但是，目前对预应力混凝土连续梁桥在超载作用下的抗倾覆影响因素研究较少，不明确是否能够通过设计结构的参数来改变结构的破坏模式，在超载作用下连续梁的抗弯承载力和抗倾覆承载力两者的关系还需要进一步的研究。

因为三跨连续梁最容易发生倾覆[9]，并且近几年的桥梁倾覆事故中车辆荷载多为3倍超载以上[10]，所以本文拟基于现有研究的基础上，采用MIDAS/Civil软件对某三跨连续箱梁桥进行建模，分析在3倍超载作用下混凝土连续箱梁桥的抗倾覆关键影响因素，提出预应力混凝土连续箱梁桥在超载作用下侧翻的预防对策。

1 工程实例分析

1.1 工程背景

吉山枢纽互通处的长深右线3号桥的桥跨布置为40 m+50 m+40 m，上部结构为单箱双室预应力混凝土连续箱梁，下部结构采用双柱墩、板凳台、桩基础(见图1)。箱梁采用C50混凝土，钢筋采用HRB335，预应力材料采用270级低松弛预应力钢绞线，标准强度fpk=1 860 MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa，预应力束均采用Φs15.2(7×5)钢绞线组成。设计荷载为公路-Ⅰ级。每个墩台顶横桥向设置两个支座，支座中心距为5.5 m，均采用盆式橡胶支座。

图1 桥梁布置图(单位：cm)

1.2 有限元建模

利用MIDAS/Civil软件，采用梁格法建立有限元模型[11-12]，全桥共434个梁单元，模型见图2(a)。为探讨不同支承情况下的箱梁的力学行为，以原桥为背景，支座布设方式考虑三种不同的支座布设模式：① 大间距双支座(与原桥相同)，简称MX-1，见图2(b)；② 桥台处采用大间距双支座，桥墩处采用小间距双支座(支座间距2 m)，简称MX-2，见图2(c)；③ 桥台处采用大间距双支座，桥墩处采用单支座,简称MX-3，见图2(d)。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[13](JTG D62—2018)规范中的车辆荷载，拟采用3倍的公路-I级车道荷载对该桥进行抗倾覆能力分析。根据桥梁发生倾覆破坏的荷载作用特征，以及为使作用在主梁上的汽车荷载产生最大的横向倾覆效应，将荷载模式作用在车辆所能到达的桥梁最外侧，车辆加载位置见图3。

2 计算结果分析

2.1 箱梁支座反力与抗倾覆能力分析

对于直线型连续箱梁，梁体刚体转动的倾覆轴线是超载侧桥梁最外侧支座的连线[14-17]，以桥台处失效支座(远离荷载侧支座)为研究对象，通过改变支座间距，计算3倍的标准设计公路-I级车道荷载作用下的支座反力，支座反力计算结果见图4，从图中可以看出：在3倍标准车辆荷载的作用下，MX-3的最小支座反力要远小于MX-1和MX-2，MX-1和MX-2的支座处于受压状态，MX-3出现支座脱空的现象，随着支座间距的增大，支座反力增大，不出现支座脱空的情况，这表明在超载的情况下，改变支座间距或改变支撑类型可以有效改善支座的受力情况。

图2 箱梁有限元计算模型

图3 车辆横向加载示意图(单位：cm)

图4 支座反力计算结果示意图

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[13](JTG D62—2018)要求，抗倾覆验算需要计算箱梁的抗倾覆稳定系数，并且要求抗倾覆稳定系数的值不小于2.5。倾覆稳定系数计算公式为：

∑Sbk,i=∑RGkili

(1)

∑Ssk,i=∑RQkili

(2)

(3)

式中：li为第i个桥墩处失效支座与有效支座的支座中心间距；RGki为在永久作用下，第i个桥墩处失效支座的支反力，按全部支座有效的支承体系计算确定，按标准值组合取值；RQki为在可变作用下，第i个桥墩处失效支座的支反力，按全部支座有效的支承体系计算确定，按标准值组合取值，汽车荷载效应(考虑冲击)按各失效支座对应的最不利布置形式取值；K为横向抗倾覆稳定系数，计算结果应满足K>2.5。

不同支撑类型、不同支座间距的箱梁倾覆系数计算结果如图5所示，可以看出：改变支座布设方式对抗倾覆稳定系数影响很大，并且随着支座间距的增大，箱梁的横向抗倾覆系数增大；MX-1的抗倾覆系数要远大于MX-2和MX-3，采用3倍标准车辆荷载时，MX-2的抗倾覆稳定系数接近2.5，但是MX-3的抗倾覆稳定系数远小于2.5的要求。

图5 箱梁抗倾覆稳定系数计算结果图

2.2 箱梁结构受力分析

文献[9]分析了多起梁桥倾覆事故，指出上部结构箱梁发生横向倾覆而未发生强度破坏，主要问题是连续梁桥的抗倾覆承载力和抗弯承载力不匹配，并提出了强倾弱弯设计准则，以实现在不确定荷载作用下(比如超载作用)抗倾覆承载力和抗弯承载力的匹配，以避免在不确定的超载作用下结构发生非延性的倾覆破坏。在文献[9]中提出了超载系数的概念，超载系数是指桥梁发生破坏时实际所能承受的规范标准车道荷载倍数，发生倾覆破坏时的倾覆超载系数记为κ，相应发生强度破坏时的强度超载系数记为χ，通过两个系数的比较来体现抗倾覆承载力和抗弯承载力是否匹配。

本节参考文献[9]的桥梁倾覆效应与抗倾覆承载力的推导公式，计算桥梁倾覆效应MO和抗倾覆承载力MRO。箱梁抗倾覆承载力如式(4)所示，箱梁倾覆荷载效应如式(5)所示。

(4)

(5)

式中：Ri为标准组合下第i个桥墩处有效支座的支反力；dbi为第i个桥墩处抗扭支座间距；Pi为标准值组合下车辆荷载标准值；dS为允许的最大偏载车道线。

由于跨中截面更容易达到极限抗弯承载力，计算3倍超载作用下跨中截面的弯矩和跨中截面的抗弯设计值。箱梁跨中的抗弯设计值、超载作用下的跨中弯矩、桥梁的抗倾覆承载力和倾覆效应计算结果见图6。

图6 箱梁倾覆计算结果示意图

如图6所示，可以看出：超载作用的跨中弯矩和倾覆效应远小于结构的抗弯承载力，MX-2和MX-3的抗倾覆承载力都小于梁的抗弯承载力，说明超载作用下相对于连续箱梁桥抗弯设计值较小的倾覆效应导致梁发生倾覆破坏时，远远不能发挥梁的抗弯能力，梁的抗倾覆能力和抗弯能力不匹配；MX-1和MX-2的抗倾覆承载力远大于超载作用下的倾覆效应，MX-3的抗倾覆承载力略大于倾覆效应，三种模型的抗倾覆承载力随着支座间距的增大而增大，说明支座布设方式和支座间距对连续箱梁的抗倾覆承载力影响很大，MX-1和MX-2的抗倾覆能力要优于MX-3。

引用文献[9]的超载系数概念，计算倾覆超载系数κ和强度超载系数χ，计算结果见图7，由图可以看出：在3倍超载作用下，只有MX-1的倾覆超载系数和强度超载系数较为接近，说明MX-1的抗倾覆能力和抗弯能力较为匹配，在超载作用下有着更好的抗倾覆能力防止梁发生倾覆破坏，从而发挥梁的抗弯能力；MX-3的倾覆超载系数稍微大于1，表明3倍超载作用已经接近于MX-3所能接受的抗倾覆极限，即将发生倾覆；增大支座间距可以提高梁的倾覆超载系数，但是MX-2和MX-3的倾覆超载系数提升有限，MX-1的倾覆超载系数随着支座间距增大变化明显，这表明倾覆超载系数受限于梁本身的支座布设方式，采用MX-1的支座布设方式可以更好的承受超载偏载的作用。

图7 超载系数计算结果图

3 混凝土连续箱梁抗倾覆设计存在问题分析

实际工程中，桥梁设计者多采用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[13](JTG D62—2018)中的车辆荷载进行连续箱梁桥的抗倾覆验算。然而大量连续箱梁桥发生侧倾事故的主要原因是由于严重偏心超载作用，其破坏模式为箱梁的侧倾破坏先于箱梁的极限抗弯能力、抗剪能力破坏，并未充分发挥箱梁的材料力学性能。因此需要针对连续箱梁桥的侧倾问题，制定符合工程实际的荷载作用模式和取值标准，以便在桥梁设计时进行连续箱梁桥的抗倾覆能力验算。因此需要在设计阶段充分考虑连续箱梁桥合理的破坏模式。

参数分析表明：采取以下措施可提高连续箱梁的抗倾覆能力：改变梁的支撑方式或尽量增大支座间距，提高安全储备；在超载作用下，独柱墩模型的抗倾覆稳定系数和倾覆超载系数均小于两种双支座模型，采用双支座模型可以很好的提高抗倾覆稳定系数和倾覆超载系数，增大支座间距也可以增加梁的抗倾覆能力。此外，在设计时可通过设置横向挡块、采用自复位支座、采用固结墩等措施，对梁体的横向位移进行控制，减少由梁体产生横向位移而发生的侧倾。在支座以及桥梁下部结构设计方面，当连续箱梁承受较大的偏心超载作用时，支座、盖梁、桥墩将可能先于上部结构发生破坏，从未导致全桥出现侧倾倒塌。然而既有的研究一般倾向于关注箱梁上部结构的侧倾，对支座和下部结构在超载作用下的强度问题研究较少，因此需要进一步探究连续箱梁桥上下部结构的整体抗倾覆能力与强度之间的关系，进一步完善其抗倾覆设计。

4 结 语

以某连续箱梁桥为工程背景，采用MIDAS/Civil建立三种有限元模型(考虑支座布设方式的变化)，研究在3倍超载作用下的连续箱梁的抗倾覆能力变化规律，结果表明：

(1) 独柱墩模型的最小支座反力要远小于另外两种模型，并且个别支座处于脱空状态；随着支座间距的增大，支座反力增大，改变支座间距或改变支座布设方式可以有效改善支座的受力。

(2) 改变支座布设方式对抗倾覆稳定系数影响很大，随着横桥向支座间距的增大，箱梁的横向抗倾覆系数增大，小间距双支座模型和独柱墩模型的抗倾覆稳定系数均小于2.5，不能满足规范要求，大间距双支座模型的抗倾覆系数要远大于小间距双支座模型和独柱墩模型。

(3) 小间距双支座模型和独柱墩模型的抗倾覆承载力都远小于梁的抗弯承载力，这两种模型的抗倾覆能力和抗弯能力不匹配；大间距双支座模型的倾覆超载系数和强度超载系数较为接近，在超载作用下抗倾覆能力强，可充分发挥梁的抗弯能力。