现浇箱梁桥抗倾覆稳定性参数敏感性分析

吴代生

(山东省公路设计咨询有限公司 济南市 250102)

0 引言

倾覆桥梁多为匝道桥，除过渡墩采用双支座或多支座外，中间墩部分或者全部采用单支座[1]，加上车辆超载的影响，易造成桥梁倾覆。

国内外对桥梁抗倾覆影响因素的研究较多，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)可知，倾覆桥梁的破坏过程会经历两种特征状态，特征状态1为单向受压支座脱空；特征状态2为整联箱梁抗扭支撑失效，发生箱梁翻转等破坏。应根据条文4.1.8规定的两种工况进行抗倾覆分析计算[1]：

(1)在作用基本组合下，单向受压支座始终保持受压状态。即

RGki+1.4RQki>0

其中：RGki为永久作用标准值组合；RQki为失效支座对应最不利汽车荷载的标准值效应。

(2)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：

式中：kqf为横桥向抗倾覆稳定性系数，取值2.5；∑Sbk,i为使上部结构稳定的效应设计值；∑Ssk,i为使上部结构失稳的效应设计值。

∑Sbk,i=∑RGkili

∑Ssk,i=∑RQkili

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。

通过工程实例，利用桥梁博士V4.4.0建立桥梁上部现浇预应力混凝土箱梁模型，通过修改支座布置形式、支座横向间距和超载量，分析各参数对桥梁抗倾覆的影响，为类似现浇箱梁桥的抗倾覆验算提供参考。

1 工程实例

1.1 工程概况

京沪高速公路工程莱芜东枢纽A匝道第一联上部结构采用4×25m现浇预应力混凝土连续箱梁；该桥平面位于R=140m的右偏圆曲线上，纵断面位于R=2000m的竖曲线上。桥梁全宽12m，两侧设置SS级混凝土防撞护栏，横向布置3车道，支座横向间距6.8m；下部结构采用双柱式桥墩，布置双支座，支座布置形式见图1[2]。

图1 支座布置图

1.2 建立桥梁博士模型

采用桥梁博士V4.4.0建立有限元模型，现浇箱梁按A类预应力混凝土构件设计，全桥共计122个节点，121个单元，成桥阶段模型见图2。

图2 成桥阶段桥梁模型

1.3 参数的选择

荷载类型选择公路-I级，横向布置为(-5，5，3)，在运营阶段进行抗倾覆验算，最不利失稳效应算法采用最不利合计，抗倾覆定义如表1。

表1 抗倾覆定义表

1.4 计算结果

1.4.1支座脱空验算

支座脱空验算见表2。

表2 支座脱空验算

1.4.2结构抗倾覆验算

2 支座布置对现浇箱梁抗倾覆稳定性的影响

2.1 2#墩支座为固定单支座

2.1.1支座布置

2#墩支座仅采用固定单支座，其他桥墩支座布置形式仍同图1。

表3 结构抗倾覆验算

2.稳定效应采用桥梁博士V4.4.0中2018规范08a恒载标准值组合，失稳效应采用桥梁博士V4.4.0中2018规范08b活载标准值组合。

2.1.2结构抗倾覆验算

结构抗倾覆验算见表4。

表4 结构抗倾覆验算

2.2 中间墩支座为单支座

2.2.1支座布置

1#桥墩和3#桥墩采用单向活动的单支座，2#桥墩采用固定单支座，0#桥台和4#桥墩支座形式同图1。

色度作为柠檬果醋的外在因素，很大一部分影响着柠檬果醋的售卖。对表3进行数据处理，计算得出ΔE21=2.01，ΔE32=0.22。可知酿造2个月的柠檬果醋较1个月的柠檬果醋的色差严重，而酿造3个月的样品较2个月的样品的色差可忽略不计。由此可推断出酿造时间超过3个月后，柠檬果醋的色度将不再有大幅度改变。可得柠檬果醋的L值随发酵时间的增加有递增趋势且趋于平稳，即亮度值不断增加，产品更加鲜艳。

2.2.2结构抗倾覆验算

结构抗倾覆验算见表5。

表5 结构抗倾覆验算

2.3 比较分析

图3 抗倾覆系数与支座布置类型关系图 注：图中横坐标1代表所有支座均采用双排支座，2代表仅2#墩采用单支座，3代表中间墩均采用单支座。

由图3可知：当仅2#墩支座采用单支座时，抗倾覆系数陡降，右倾系数下降83%，左倾系数下降79.2%；当中间支座均改为单支座后，与仅2#墩支座改为单支座相比，抗倾覆系数下降稍有减缓，右倾系数下降81.3%，左倾系数下降77.9%。由此可知，双支座的数量对桥梁抗倾覆影响巨大，但中间墩均采用单支座时在公路-I级荷载作用下抗倾覆稳定性系数均满足规范要求。

3 支座间距对现浇箱梁抗倾覆稳定性的影响

在均采用双支座条件下给出支座间距对抗倾覆稳定性影响的详细分析数据。

3.1 支座横向间距为7.2m时抗倾覆验算

表6 结构抗倾覆验算

支座间距与桥梁宽度的比值：7.2/12=0.6。

3.2 支座横向间距为6.4m时抗倾覆验算

表7 结构抗倾覆验算

支座间距与桥梁宽度的比值：6.4/12=0.53。

3.3 支座横向间距为6.0m时抗倾覆验算

表8 结构抗倾覆验算

支座间距与桥梁宽度的比值：6.0/12=0.5。

3.4 比较分析

图4 双支座时抗倾覆系数与支座间距关系图

由图4可知：当所有支座均采用双支座时，支座间距与抗倾覆系数的关系呈非线性变化，抗倾覆系数随着支座间距的减小而减小，在合理的支座间距范围内抗倾覆系数均满足规范要求，且安全储备较大。

图5 单支座时抗倾覆系数与支座间距关系图

由图5可知：当中间墩均采用单支座时，支座间距与抗倾覆系数的关系呈线性变化，抗倾覆系数随着支座横向间距的减小而减小。当中间墩全部采用单支座时，在支座间距小于6.4m时，左倾抗倾覆系数小于2.5，不满足规范要求。

与此同时，支座间距的确定不仅要考虑抗倾覆的影响，还应根据横梁计算和支座大小确定，建议支座横向间距与桥梁宽度的比值取0.567(=6.8/12)，此时既可以满足抗倾覆要求，也有利于支座的安装和横梁的计算。

4 超载对现浇箱梁抗倾覆稳定性的影响

荷载类型分别选用公路-I级(qk=10.5kN/m，Pk=207～360kN)[3]、1.5×公路-I级、2.0×公路-I级和2.5×公路-I级类型，并以2#墩采用单支座，其他支座均为双支座(横向间距取6.8m)为例进行详细计算分析。

4.1 公路-I级对现浇箱梁抗倾覆稳定性的影响

结构抗倾覆验算内容见表4。

4.2 1.5×公路-I级对现浇箱梁抗倾覆稳定性的影响

表9 结构抗倾覆验算

4.3 2×公路-I级对现浇箱梁抗倾覆稳定性的影响

表10 结构抗倾覆验算

4.4 2.5×公路-I级对现浇箱梁抗倾覆稳定性的影响

表11 结构抗倾覆验算

4.5 对比分析

由图6可知：抗倾覆系数与荷载等级呈非线性变化，抗倾覆系数随荷载等级的增加而减小。2#墩采用单支座时，在2.5×公路-I级荷载作用下抗倾覆仍能满足规范要求，但此时已经超过公路-I级荷载作用下设计的现浇混凝土梁的承载能力极限状态，不能为了满足抗倾覆要求而进行超筋设计。

图6 2#墩单支座时抗倾覆系数与荷载等级关系图

由图7可知：抗倾覆系数与荷载等级呈非线性变化，抗倾覆系数随荷载等级的增加而减小。中间墩均采用单支座时，1.5×公路-I级荷载作用下抗倾覆已经不满足规范要求，抗倾覆能力较差。

图7 单支座时抗倾覆系数与荷载等级关系图

综上，不论支座如何布置，抗倾覆稳定性均随超载量的增大而减小。当中间墩均采用单支座布置时抗超载能力较差，在超载严重路段应注重对中间墩采用单支座的桥梁进行抗倾覆验算。

为保证行车安全，应加强桥梁的管理与养护，限制超载车辆通行。确需大件超限运输时，应进行承载力和抗倾覆验算。

5 结论

通过分析可知，支座的布置形式、支座的横向间距和超载量对曲线上现浇箱梁桥的抗倾覆稳定性影响显著。

(1)双支座的布置数量对桥梁抗倾覆影响巨大，但中间墩均采用单支座时在公路-I级荷载作用下抗倾覆稳定性系数均满足规范要求。

(2)当所有支座均采用双支座时，支座间距与抗倾覆系数的关系呈非线性变化；当存在单支座时，支座间距与抗倾覆系数的关系呈线性变化。抗倾覆系数随着支座间距的减小而减小。建议支座横向间距与桥梁宽度的比值取0.567。

(3)抗倾覆系数与荷载等级呈非线性变化，抗倾覆系数随荷载等级的增加而减小。不宜为满足桥梁抗倾覆验算而进行过度设计，应加强桥梁的管理与养护，限制超载车辆通行。

(4)右偏圆曲线上的桥梁右倾稳定系数总是比左倾稳定性系数大，曲率半径对抗倾覆稳定性的影响仍需进一步论证。