大跨径钢箱梁桥抗倾覆稳定性分析

凌冬

作者简介：凌 冬（1969—），高级工程师，主要从事公路桥梁设计工作。

文章基于某高速公路互通匝道钢箱梁桥工程实例，根据大跨径梁桥的受力特性，结合现行桥梁规范要求，利用有限元桥梁分析理论，通过对桥梁最不利位置进行模拟分析，选择合适的特征点，针对支座脱空以及结构倾覆进行验算，对大跨径钢箱梁桥抗倾覆稳定性进行计算分析，并提出了保障桥梁安全的相应措施。

大跨径；钢箱梁桥；抗倾覆；稳定性

U448.21+3A541903

0 引言

目前，我国道路运输车辆超限超载的现象十分普遍，因此导致桥梁倾覆事故时有发生，对行车安全构成了极大的威胁［1］。钢箱梁因其自重小、强度高、施工快捷等优点，已成为热门桥型之一［2］，但其抗倾覆稳定性较差的问题仍然困扰着工程界［3］。根据以往的交通安全事故进行分析，除施工质量问题导致桥头路基承载力不足进而引发钢箱梁倾覆外，其抗扭支承失稳与结构自身稳定性不足同样是桥梁倾覆破坏的主要原因［4-5］。为了保证大跨径梁桥的安全性，应重视其抗倾覆设计。

近年来，众多专家学者对大跨径钢箱梁桥抗倾覆稳定性问题进行了大量的研究。肖鹏程［6］通过对桥梁横向抗倾覆性能的研究，综合考虑了不同横向荷载作用位置、支座间距以及桥墩布置形式等设计参数，分析了支座反力以及横向抗倾覆性能，并给出了相应的抗倾覆加固方案。孙军等［7］为了研究钢箱梁桥在弯道结构中的抗倾覆稳定性，采用单箱梁和带临时加固设备的双箱梁进行数值模拟，并对其支承反作用力进行了计算。吴玉华等［8］采用有限元方法对大跨度连续箱梁进行了应力分析，在此基础上，提出了桥梁侧向稳固措施。王泉宇等［9］利用曲梁理论公式对简支超静定曲梁的支承反力进行了分析，并以支座间距为依据分析了内、外支座的反作用力，最后以支座是否达到规范中所要求的稳定系数为标准来评估桥梁的稳定性与抗倾覆性。耿君君［10］采用了有限元的方法，对连续梁桥进行了抗倾覆稳定性分析，并对其受力和倾覆之间的关系进行了研究，同时探讨了偏心度对梁桥抗倾覆稳定性的影响。

本文以广西那平高速公路一联大跨径连续钢梁桥为工程背景，按照钢梁成坡原则（顶板随路面横坡设置，底板水平布置，坡度变化通过腹板高度变化实现）分析了大跨径梁桥倾覆破坏机理与其抗倾覆稳定性的影响因素，并提出了这类结构的设计方案。

1 倾覆破坏机理

桥梁结构稳定性受其结构组成、支承形式和外部荷载等因素的影响，由于设计不合理、维护不到位、严重超载等原因会造成桥梁出现不同程度的倾覆破坏［11］。由于桥梁上部结构受到极端偏心活荷载作用，结构自身的恒载效应不足以抵抗偏载产生的倾覆效应，导致上部结构绕某侧支点发生转动，最终引发上部结构倾覆破坏［12］。针对桥梁上部结构的倾覆破坏，其破坏机理按其抗倾覆力矩大小可分为以下两种情况：

（1）当抗倾覆力矩大于活荷载（偏载荷）时，支架不会发生脱空，但是当荷载增大，梁体会发生扭转，水平反作用力会增大，导致桥墩与梁间产生横向位移。在主梁扭转的角度大于临界点时，将使主梁与支座分离。在墩顶水平力较大的情况下，若墩柱的横向刚度及承载力不够，很可能会使桥墩发生变形，造成上部结构的落梁。

（2）当抗倾覆力矩小于活荷载（偏载荷）时，支架会产生脱空，使桥梁结构失去稳定，从而使梁体在旋转和垂直弹性弯曲的联合作用下发生倾覆［13］。

连续钢箱梁桥的横向抗倾覆稳定性应视为整体结构的稳定性问题，不能将支座脱空作为衡量横向稳定性的判据。在进行抗倾覆稳定安全系数计算时，必须将主梁倾覆力矩与支座脱空前的转动力矩，和倾覆力矩与桥梁抗倾覆能力进行对比，以确保主梁在不对称变形和转动下产生的扭力（即最不利荷载）符合要求。既要保证主梁在不对称变形和转动情况下不发生倾覆，还要确保墩柱、连续钢箱梁桥与主塔间的相对位移满足规范要求。因此，本文结合某大桥的工程概况及实际工程案例，对连续钢箱梁桥横向抗倾覆稳定性进行研究。

2 工程背景

广西那平高速公路那坡枢纽互通某匝道桥跨越既有高速公路，由于既有高速公路需为“四改八”预留空间，且不允许在中央分隔带上立墩，匝道主桥采用（45+60+45）m连续钢箱梁的结构形式，匝道桥平曲线半径为130 m，桥面宽10.5 m，设置6%超高横坡，桥梁横断面布置为1.7 m（悬臂）+1.8 m（箱宽）+3.5 m（箱间）+1.8 m（箱宽）+1.7 m（悬臂）=10.5 m，下构为双柱式墩，柱间距5.6 m。如图1所示。

主梁采用分离式的两箱单室钢箱梁，单个箱宽1.8 m，悬臂长度为1.7 m。两个箱室中心间距为5.3 m，钢主梁中心线为平行于道路中心线的曲线。主梁梁高2.6 m。钢梁设置实腹式横隔板，横隔板标准间距为4.5 m；隔板间设置框架式加劲板，标准间距为1.5 m。主梁之间横梁均采用实腹横梁，腹板厚16 mm，如图2所示。钢梁顶板板厚16 mm，腹板板厚16 mm，底板宽度为1.9 m，两侧各悬出50 mm，底板板厚16 mm/22 mm，钢梁底板在中支点位置加厚处理，外侧支座向外侧偏移30 cm。如图3所示。

3 有限元建模

进行钢主梁整体强度、刚度、疲劳验算分析时，采用有限元桥梁设计软件桥梁博士4.4进行模型建立。计算模型采用单梁模型计算，主要计算参数为：

空间分析计算模型如图4所示，桥梁抗倾斜分析工况如表1所示。

4 抗倾覆分析

从倾覆机理来看，上部结构的倾覆不仅是由于单纯的失稳，而是由于支座脱空后垂直反作用力重新分布造成的强度破坏。因此在设计中除了满足规范中要求的抗倾覆稳定性系数外，还需要满足在最不利荷载作用下支座不出现脱空。在《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362-2018）［14］中明确了两个抗倾覆验算工况：（1）在作用基本组合下，单向受压支座始终保持受压状态；（2）按作用标准值进行组合时，横桥向抗倾覆稳定性系数kqf≥2.5。验算过程中应注意上部结构稳定效应中的永久作用在基本组合下的分项系数应取1.0，并考虑横桥向风荷载所引起的箱梁扭转效应，使钢箱梁一侧支座反力变小甚至发生脱空现象。

4.1 支座抗倾覆特性分析

一般情况下，由于桥墩的受力不均，即上部出现偏载，且随偏载增加，其扭力也随之增加，超过一定值后，就会出现一个孔洞。通常，支座不仅会受到车辆荷载、温度效应、预应力效应的影响，也会受到非均匀沉降等因素的影响。因此，梁桥的设计要充分考虑各种不利条件，以保证支架在任何条件下都不会脱落［15］。

根据规范要求，通过有限元模拟软件计算基本组合下的最小支反力，计算结果如表2所示。

该方法将单梁有限元模型划分为几个小单元，并用“直代曲”方法求解，总长度略小于曲线弧长，总体外力（纵向和扭矩）略有变化，但基本不会受到影响。根据有限元模型，各节点的最小基础支反力远大于支反力所容许的应力值，并且在基本的组合下，该支座仍然能够承受较大的压力，不会产生孔隙，满足设计要求。该桥有限元模型的划分中，由于结构密度较大，两者的计算误差都在一定的范围内，因此对梁桥进行有限元分析时，应使其具有较强的稳定性。

4.2 桥梁梁体抗倾覆特性分析

根据规范要求，通过有限元模拟软件计算支座竖向力及进行抗倾覆验算，计算结果如表3所示。

由表3有限元计算结果可知，连续梁在不同位置布设偏心作用的设计荷载时，失稳效应下在0-1、0-2、1-2、2-2、3-1以及3-2附近出现负反力状况，稳定效应下则不存在负反力情况，最不利位置与现实分析基本相同。从稳定系数分析结果可以看到，当失稳效应＞0时，稳定系数为100，其他情况下，稳定性系数均＞2.5，满足规范中对抗倾覆稳定性的要求。

以上计算结果表明，该桥梁设计中各项抗倾覆稳定性指标均符合规范规定。但由于该桥跨径较大，平曲线半径较小，虽然在支点设置了压重的条件下最小支反力未出现负值，但抗倾覆稳定性系数最小值4.65与规范值2.5较为接近。为避免受超载车辆影响，提高钢箱梁抗倾覆稳定性，设计在桥梁内侧设置减震抗拉球形支座，杜绝支座脱空现象，充分保障结构的安全性与稳定性。

5 结语

近几年来发生倾覆事故的桥梁多数为采用了独柱墩或是双支座间距较小的结构，且为整体式箱型结构的长桥。本文针对某大桥连续钢箱梁桥横向抗倾覆稳定性进行了分析，提出相应措施以提高其抗倾覆稳定性：

（1）桥梁内部配重能够很好地解决钢箱梁结构自重小的问题；（2）采用双箱单室结构、适当增加支座间距可提高桥梁横向抗倾覆稳定性；（3）在内部支点上设置减振和抗拉式支承，可防止在偏心超载下发生支承脱空。

分析结果可知，当桥梁完工后，随着使用状况的增长，其承载力不会出现脱空，而整体连续梁也能达到稳定要求。

参考文献

［1］彭卫兵，梁桥抗倾覆设计与性能提升关键技术［D］.杭州：浙江工业大学，2021.

［2］赵慧军.大跨径钢箱梁顶推安装施工技术［J］.安装，2022（11）：29-31.

［3］崔亚新，吴纪东，代 璐.连续钢箱梁桥梁防倾覆技术研究［J］.公路交通科技（应用技术版），2017，13（5）：272-274.

［4］谢洪兵.架桥机架设大跨径T梁抗倾覆稳定性分析方法研究［J］.安徽建筑，2022，29（10）：152-153，186.

［5］敖 旭.独柱墩桥梁倾覆原因及加固措施［J］.交通世界，2022，626（32）：159-161.

［6］肖鹏程.连续钢箱梁桥抗倾覆性能影响因素研究［J］.黑龙江交通科技，2022，45（10）：85-87.

［7］孙 军，岳真宏.曲线钢箱梁施工抗倾覆稳定性研究［J］.公路，2021，66（2）：156-160.

［8］吴玉华，蔡若红，杨育人.独柱墩连续梁桥的稳定影响因素分析［J］.公路工程，2011，36（6）：93-96，106.

［9］王泉宇，李新生.简支钢箱梁整体抗倾覆稳定分析［J］.苏州科技大学学报（工程技术版），2022，35（2）：26-31.

［10］耿君君.连续梁桥的抗倾覆稳定性设计研究［J］.西部交通科技，2020，161（12）：143-145.

［11］程伟伟.连续钢箱梁桥抗倾覆分析［J］.山东交通科技，2021，187（6）：88-90.

［12］邓佳琦.连续梁桥倾覆分析验算及抗倾覆设计［J］.江西建材，2020，259（8）：74-75.

［13］庄庆泰.连续钢箱梁桥整体稳定及抗倾覆性能研究［D］.西安：长安大学，2013.

［14］JTG 3362-2018，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［15］彭世魁，罗穿云.独柱墩桥梁倾覆稳定性分析［C］.北京力学会.北京力学会第二十五届学术年会会议论文集，2019.