小半径弯梁桥抗倾覆加固分析

2018-07-05河北省高速公路京沪管理处姜涛

交通建设与管理 2018年2期

文／河北省高速公路京沪管理处姜涛

由于弯梁桥能很好地适应桥址周围地形地物限制，并且曲线本身线条平顺流畅，符合城市景观需求，也能为安全行车提供保障，因此弯梁桥得到了快速发展，尤其在高速公路互通式立交和城市交叉口立交匝道桥上得到了广泛应用。

但弯梁桥，特别是中支座为独柱墩的连续弯梁桥的自身结构特点，决定了其抗倾覆性能要比其他线型的桥梁差很多，中支座为独柱墩的连续弯梁桥在恒荷载或活荷载作用下会出现弯扭耦合现象，即在外荷载及曲率的作用下竖向弯曲时会产生扭转，从而导致梁体挠曲变形。如果支座布置不恰当，会导致桥台的内外侧支座的反力分布不均匀，有曲线外侧变大、内侧变小的倾向，内侧甚至会产生负反力，从而引发支座脱空的现象，进一步发展就会产生倾覆。如2009年7月津晋高速连续独柱墩匝道弯桥倾覆，2014年12月重庆市盛唐立交G匝道倾覆，都给人民生命财产带来了巨大损失。因此，对于桥梁，特别是中支座为独柱墩的小半径连续弯梁桥的抗倾覆验算必须引起高度重视。

图1 津晋高速连续独柱墩匝道桥倾覆

目前的桥梁设计规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2012）对桥梁的抗倾覆性有明确的强制性要求且要求支座不应出现脱空现象。在实际设计中，应保证桥梁支座不出现脱空，这确保了桥梁不会发生倾覆；但在某些情况下，由于车辆并不总按照规范规定的位置行驶和载重，可能会使弯桥外侧的偏心压力加大，倾覆概率增加。

为防止小半径且中墩为独柱墩的连续弯梁桥发生类似事故，人们一般在中支座径向增加支撑以作为抗倾覆预防措施，如图2所示。为评价该抗倾覆措施的有效性，本文以某实际弯梁桥为背景，开展了极限加载情况下的抗倾覆计算，并比较了加固处理前、后的抗倾覆稳定系数及脱空情况。分析结果可为类似工程的加固处理提供了技术参考。

图2 弯桥防倾覆加固独柱墩

1 抗倾覆计算方法

对于中墩为独柱墩的三跨小半径连续弯梁桥，当跨中桥墩全部支座位于桥台外侧支座连线外侧时，倾覆轴线取为一桥台外侧支座和跨中桥墩支座连线。另外，由参考文献[4]可知，小半径弯梁桥的倾覆轴位置，通常是两个中墩支座相连的直线。此弯桥的倾覆轴的位置以及倾覆轴与最外侧车道所围的面积如下如图3所示。为计算得出最不利情况，本文对上述两种情况分别进行了分析。

图3 小半径弯桥倾覆轴示意图

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2012），将其中的设计车道荷载变为极限车辆荷载，即可得出曲线梁桥在极限车辆荷载情况下的抗倾覆稳定系数的计算公式，见下式(1)：

式中：m—冲击系数；RGi—成桥状态时各个支座的支反力；χi—各个支座到倾覆轴线的垂直距离；Pkj—极限车辆荷载的轮重；ej—极限车辆荷载的轮重到倾覆轴线的垂直距离。

2 抗倾覆性能评价

2.1 背景工程

河北省某市有一座三跨单箱双室连续匝道弯桥，其半径r=75m，跨径l=25m，桥面宽w=11m，梁高h=1.2m，其横断面如图4所示，其支座平面见图5。在津晋高速连续独柱墩匝道桥坍塌后，为了保证该桥在极端情况下的抗倾覆能力，对其进行了加固处理。加固处理的方式是在中墩处增加径向外侧支座，处理后的支座平面如图6所示。

图4 桥梁横断面（单位：m）

图5 加固处理前的弯梁桥支座布置（单位：m）

图6 加固处理后的弯梁桥支座布置（单位：m）

2.2 加固处理前的抗倾覆稳定系数

在图4 a)中，阴影面积为212.1m2，支座A1距倾覆轴3.9m，支座B1距倾覆轴20.1m，B2距倾覆轴17.1m，B3距倾覆轴5.7m。图4 b)中阴影面积为281.3m2，支座A1和B1距倾覆轴9.4m，支座A2和B2距倾覆轴5.8m。用Midas Civil软件建立该弯桥的有限元模型，通过模态分析，可得此弯梁桥的结构频率f=1.6Hz，对应冲击系数为μ=0.07。

津晋高速公路匝道桥的坍塌是由于5辆载重货车逆行进入桥体，遇车右拐后使桥体重心偏移，瞬间发生坍塌。为模拟该极端情况，本文据此在图3中阴影区域施加5辆单车总重为600kN的汽车荷载。与图3对应的两种汽车布载情况如图7所示。