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独柱式小半径弯桥抗倾覆稳定性分析

赵晓丽
摘要：本文结合工程实例，运用空间有限元法对某高速公路小半径弯桥进行抗倾覆稳定性分析，分析结果表明该类桥梁在活载偏载作用下，易发生倾覆失稳现象，设计时应引起重视，并宜结合公路运营期间重车通行的实际情况，对桥梁抗倾覆稳定性能设置一定的安全储备。
关键词：弯桥；抗倾覆稳定性；现浇箱梁
：K928： A
0引言
随着我国基础设施建设的迅速发展，无论是在城市道路还是高速公路上，都修建了大量立交桥。立交桥梁通常设置多条匝道，从而实现道路间的相互连通。匝道桥多位于道路平曲线上，上部结构一般采用钢筋混凝土、预应力混凝土现浇箱梁及钢混组合梁等，下部结构多采用单支点独柱墩，以便减少用地、增大桥下行车视野、增加桥梁美观性等。
然而，小半径弯桥受力非常复杂，桥梁结构一直处于弯、剪、扭组合受力状态。无论是在恒载、还是汽车活载作用下，上部结构反力在各支点之间的分配严重不均，通常表现为曲线外侧受力较大，内侧受力较小，在多种荷载共同作用下，甚至会造成内侧支座脱空及梁体整体倾覆等事故。由于桥梁结构发生倾覆之前一般并无明显征兆，属于瞬时破坏，故一旦发生将会造成巨大的生命财产损失和极其恶劣的社会影响。可见由于此种桥梁自身受力特点而引起的病害并不容忽视，应引起广大桥梁设计及养护人员的高度重视。本文针对某高速公路小半径弯桥，参照现行规范，并结合高速公路重车通行的实际情况，进行抗倾覆稳定性计算，分析桥梁体系发生倾覆事故的影响因素，对同类桥梁的设计有重要参考意义。
1工程概况
本工程为某高速公路匝道桥，桥梁位于小半径曲线上，曲线半径为160米。桥梁全宽8.25m，全长64m，跨径布置为4x16m；上部结构采用钢筋混凝土现浇连续箱梁，单箱单室，梁高1.2m，顶板宽8.25m，板厚0.22m，底板宽4.25m，板厚0.18m，悬臂长2m；下部结构中墩采用单支点独柱墩，边墩采用双柱墩，两支点之间横向间距均为3.15m。桥梁横断面布置如下图所示：
2计算模型
桥梁结构计算通常可采用单梁法、梁格法、实体模型法等，由于本工程桥梁宽跨比较小，采用单梁法即可满足计算精度要求，故采用单梁法。计算软件采用MIDAS/Civil，建模时采用单梁体系，赋予梁截面形式。模型每个单元长度根据实际情况划分，均可满足工程需求。
最终成桥状态的约束情况为：所有中墩均为单支座，边墩均采用双支座，支座横向间距均为3.15米，均为盆式支座，端头支座与主梁用刚臂连接。对于支座位置节点，修改局部坐标系，使桥梁在顺桥向及横桥向指向正确。全桥共离散成61个节点、56个单元，结构计算模型如下图所示：
结构计算模型
3计算荷载
3.1 恒载
结构自重及二期荷载均按实际情况取值，混凝土容重取为26KN/m3，防撞护栏按单侧10KN/m计算，并计及桥梁内、外弧侧不对称所引起的恒载扭矩。
3.2 汽车荷载
小半径弯桥倾覆一般多由汽车偏载超载造成的，在分析此类桥梁时，应充分考虑各种最不利荷载工况，并留有一定的安全储备。《公路桥涵设计通用规范》规定桥梁整体计算采用车道荷载，车道荷载为均布荷载加集中力的形式，桥梁局部计算还应考虑车辆荷载，车辆荷载重55t。结合规范的相关规定，并考虑到高速公路重车通行的实际情况，进行抗倾覆分析时考虑了以下三种荷载工况：
工况1：公路一级荷载；
工况2：1.3倍公路一级车道荷载；
工况3：1.2倍规范55t重车自定义荷载。
车道布置：桥面按一列及两列车布置，并考虑活载偏载，具体布置如下图所示：
车辆荷载偏载作用示意图
3.3 其它可变荷载
A）主梁整体升降温按±30℃考虑；B）各墩位不均匀沉降值5mm；C）风荷载标准值0.5KN/m2。
计算结果及讨论
考虑的主要荷载有：恒载、车辆荷载、基础变位及温度荷载等，各种荷载按最不利组合；由于结构相对于2#墩对称，故仅列出0#、1#、2#墩位支座反力计算结果，如下表所示：
支座反力计算结果（工况1）
支座反力计算结果（工况2）
支座反力计算结果（工况3）
由以上计算结果可以得出如下结论：
无论是在恒载还是活载作用下，支座反力均表现为外侧受力较大，内侧受力较小，这主要是因为在荷载作用下，结构会承受较大的附加扭矩，从而导致支座反力分布严重不匀；
边墩内弧侧支座在各种工况荷载弹性组合作用下均出现了负反力，表明结构在该位置会出现支座脱空现象；外弧侧支座虽未出现支座脱空现象，但在工况三弹性组合作用下，支座最小反力仅为60KN，压力储备不足，存在一定的安全隐患；
由于中墩均为单支点，不存在反力横向分配现象，故压力储备较大。
5抗倾覆稳定分析
小半径弯梁桥的倾覆过程是在汽车荷载作用下，支座依次脱空，由边界条件失效从而形成失稳的过程。进行抗倾覆验算，一般需先确定倾覆轴线，再根据倾覆轴线计算出倾覆弯矩及抗倾覆弯矩，进而判定结构的稳定性能。
经计算，本桥在荷载工况1作用下，抗倾覆验算满足规范要求，不会出现失稳现象；在荷载工况2及工况3作用下，倾覆弯矩均大于抗倾覆弯矩，抗倾覆验算不能满足要求。可见本桥抗倾覆稳定性能储备不足，结构存在较严重安全隐患。具体设计中应结合汽车超载的实际情况，针对结构抗倾覆性能设置一定的安全储备，以防在桥梁运营期间，由于汽车超载而引发较严重的安全事故。
6结语
小半径弯桥由于其自身受力特点会存在支座反力分布不均现象，内侧支座会出现脱空现象，进而造成其它支点反力的重分配；若设计不当，受压支座会依次脱空，从而在车辆偏载作用下，发生失稳现象。由于桥梁倾覆一般事先并无明显征兆，一旦发生将会造成较严重的后果，故应引起充分重视。在具体桥梁设计中，应进行抗倾覆专项验算，并应结合汽车超载的实际情况，对桥梁的抗倾覆性能设置一定的安全储备。
参考文献
[1]范立础. 桥梁工程 北京: 人民交通出版社, 2001.
[2]公路桥涵设计通用规范 JTG D60-2004 北京: 人民交通出版社, 2004.
[3]公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTG D62-2004 北京: 人民交通出版社, 2004.

-全文完-