张宏， 张伟

(长安大学 理学院,陕西 西安 710064)

钢箱梁桥因其具有抗扭刚度大、受力性能好、结构自重轻、加工方便、施工工期短等优点，在城市高架桥中得到了广泛的应用[1]。但结构自重轻作为钢箱梁优点的同时也成为其缺点。因为当钢箱梁的结构自重较轻时，若有较大的车辆荷载通过钢箱梁外侧车道，钢箱梁上部结构自重产生的抗倾覆力矩不足以抵抗结构自重力矩和车辆荷载产生的倾覆力矩，导致钢箱梁横向稳定性不足，容易发生倾覆破坏。

已有较多学者对提高连续钢箱梁桥横向抗倾覆稳定性进行了研究：崔亚新等[2]提出在连续钢箱梁桥支座部位设置抗倾覆拉杆，避免支座脱空，从而避免桥梁发生倾覆破坏；苏亚庆等[3]提出在墩顶和钢箱梁之间应用钢构件进行横向限位设计，或利用支座和挡块适当限制梁的侧向位移，以此提高钢箱梁桥的横向稳定性；许冰等[4]提出在连续钢箱梁桥中采用双柱式桥墩形式，并尽可能增大横向支座间距，以此提高钢箱梁桥的横向稳定性。上述学者所提出的改善桥梁结构抗倾覆稳定性的方法主要针对处于设计和施工阶段的桥梁结构，具有一定的局限性。

为了从根源上提高钢箱梁桥结构的抗倾覆稳定性能，本文依托实际工程并结合《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011)[5]对抗倾覆系数计算公式进行了修正，提出了在连续钢箱梁桥箱室内浇筑混凝土来提高其抗倾覆性能的措施，并分析验证该措施的合理性。

1 连续钢箱梁桥倾覆破坏机理与评判准则

1.1 连续钢箱梁桥倾覆破坏机理

根据连续钢箱梁结构的倾覆发展过程来看，其破坏机理主要分为以下几种：

上部结构偏载引起的桥梁结构的倾覆力矩小于桥梁的抗倾覆力矩，支座因受到较大水平力的作用使其水平位移超限而失效，导致支座的上部结构落梁；支座未因受到较大水平力的作用而导致水平位移超限失效，但墩顶截面发生压弯破坏，导致上部结构落梁；上部偏载引起的桥梁结构的倾覆力矩大于抗倾覆力矩，远离荷载作用位置的支座全部脱空，结构发生整体倾覆。

连续钢箱梁桥的横向稳定为主梁、支座、墩柱结构共同作用下的结构整体稳定，其中任何一个部分发生破坏，都将造成极其严重的后果。因此，判断结构的横向整体稳定性不仅要分析主梁的抗倾覆力矩与倾覆力矩的大小关系，还应考虑支座的水平位移以及墩柱的承载能力。

1.2 连续钢箱梁桥倾覆破坏的评判准则

依据连续钢箱梁结构倾覆破坏发展过程中的3种主要倾覆破坏机理，确立其倾覆破坏的评判准则如下：

1)远离偏载作用位置的支座是否脱空，即是否出现支座负反力。

2)远离偏载作用位置的支座脱空后，主梁结构的抗倾覆力矩是否大于偏载的倾覆力矩，抗倾覆稳定安全系数是否符合要求。

3)靠近偏载作用一侧的支座水平位移是否超限，墩柱在水平力和竖向力的作用下是否出现压弯破坏。

2 连续钢箱梁桥抗倾覆分析

2.1 依托工程背景

西安市凤城五路与北辰大道互通立交工程，是西安市北部片区“三横三纵”快速路网的重要组成部分，是服务2021年全运会的重要交通通道。凤城五路立交北辰主线钢箱梁共计8联，长1 035 m，选取第3联钢箱梁进行模拟计算。北辰主线第3联连续钢箱梁为单箱4室钢箱梁结构，箱梁顶宽25.2 m，箱梁底宽17.5 m，中心梁高1.8 m，支座间距5.6 m，跨径为35 m+35 m+35 m。钢箱梁截面左右对称，其左侧横截面如图1所示。

图1 钢箱梁左侧横截面示意图(单位:mm)

2.2 有限元模型及加载工况

根据连续钢箱梁倾覆破坏的几何原理，其抗倾覆能力主要取决于主梁宽与支座间距的比值[6]。为便于分析连续钢箱梁横向抗倾覆能力，作以下简化：将上部结构等效为平面板；荷载均匀分布；上部钢箱梁在偏载作用下不会发生强度破坏和局部破坏。 简化后的有限元模型如图2所示。

图2 连续钢箱梁桥有限元模型

分析桥梁倾覆事故频频发生的原因发现，车辆超载且偏载导致的情况尤为突出。结合《城市桥梁设计规范》(CJJ 11—2011)[7]，根据桥梁结构的受力特点，分为以下5种工况：

工况一：城市-A级车道荷载；

工况二：1.3倍城市-A级车道荷载；

工况三：《城市桥梁设计规范》(CJJ 11—2011)中70 t车辆荷载，车队纵向两车前后轴距为10 m，沿右侧第3车道行驶，车辆轴距为3.6 m—1.2 m—6.0 m—7.2 m，轴重60 kN+140 kN+140 kN+200 kN+160 kN；

工况四：1.3倍工况3荷载；

工况五：120 t严重超载车辆，车队纵向两车前后轴距为10 m，沿右侧第3车道行驶，车辆轴距为3.6 m—1.2 m—6.0 m—7.2 m，轴重80 kN+250 kN+250 kN+340 kN+280 kN；

工况三或工况五中70 t或120 t车辆沿右侧第3车道行驶时，纵桥向布置如图3所示。

图3 车辆纵桥向荷载布置图(单位:m)

2.3 抗倾覆分析结果

图4为5种工况作用下，根据ANSYS软件模拟计算所得的连续钢箱梁桥支座反力结果。

图4 各工况荷载作用下支座反力结果

由图4可知：在5种荷载工况下，连续钢箱梁各支座均未出现负反力，所以，结构不会出现支座脱空现象；支座反力最小值为236 kN，出现在工况二荷载作用下的0-1#、3-1#支座处，这种情形虽不至于引起主梁的倾覆，但此时结构抵抗倾覆破坏的安全储备不大。

根据《公路桥涵钢结构设计规范》(JTG D64—2015)[8]中关于桥梁抗倾覆验算的相关规定，直线段连续钢箱梁桥倾覆时以偏载侧支座中心连线为倾覆轴线，抗倾覆力矩为主梁倾覆轴线内侧自重产生的力矩，倾覆力矩为汽车荷载与主梁倾覆轴线外侧自重产生的力矩之和。各工况荷载作用下的抗倾覆稳定系数见表1。

由表1可得,分别在工况一、三、四的荷载作用下，梁桥抗倾覆稳定系数大于1.3，满足《公路桥涵钢结构设计规范》(JTG D64—2015)中的要求；分别在工况二、五的荷载作用下，该连续钢箱梁桥的抗倾覆稳定系数小于1.3，不满足上述规范要求。

表1 抗倾覆稳定系数结果

根据桥梁倾覆破坏的评判准则，进一步验算支座的水平位移和墩柱的强度。不同荷载工况下支座的水平位移和墩柱的最大应力结果见表2。

表2 不同工况荷载作用下支座水平位移和墩柱最大压应力结果

由表2可知，在5种不同偏载工况作用下，边支座的最大水平位移为2.48 mm，中间支座的最大水平位移为2.64 mm，都分别远远小于各自设计值125和100 mm；墩柱的最大压应力为10.69 MPa，远小于其设计值40 MPa。支座及墩柱发生破坏的可能性极小。

综合上述结果可知，该桥不容易发生因为支座水平位移和墩柱承载力超限引起的落梁或坍塌破坏，但容易发生由于偏载过大引起的上部结构的整体倾覆破坏。因此，应对工况二和工况五的荷载作用时的情形引起足够的重视，需采取相应措施提高连续钢箱梁桥的横向抗倾覆能力。

3 抗倾覆措施及其实施结果分析

3.1 抗倾覆措施

众所周知，大多数桥梁在发生倾覆破坏前毫无预兆，连续钢箱梁桥一旦发生倾覆破坏将造成局部的交通瘫痪和巨大的经济损失。在《公路桥涵钢结构设计规范》(JTG D64—2015)中规定对结构抗倾覆不利的恒载和活载的重要性系数分别为1.0和1+μ(μ为冲击系数)，而在《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011)4.1.6条中规定对结构抗倾覆不利的恒载和活载的重要性系数分别为1.2和1.4。为了使结构具有更大的横向抗倾覆稳定性安全储备，结合《砌体结构设计规范》(GB 5003—2011)对结构抗倾覆稳定系数的计算公式进行修正：提高对结构抗倾覆不利的恒载和活载的重要性系数，考虑到桥梁结构的冲击系数范围为0≤μ≤0.45。因此，在修正公式中：当0≤μ≤0.40时，活载的重要性系数取为1.4；当0.40≤μ≤0.45时，活载的重要性系数取为1+μ；不论冲击系数为何值恒载的重要性系数均取为1.2。修正后的抗倾覆稳定系数计算公式如式(1)所示：

(1)

式中：γqf为抗倾覆稳定系数；G1为对结构抗倾覆有利的结构自重；G2为对结构抗倾覆不利的结构自重；x1为对结构抗倾覆有利的结构自重质心到倾覆轴线的距离；x2为对结构抗倾覆不利的结构自重质心到倾覆轴线的距离；qk为车道荷载均布荷载；Pk为车道荷载集中荷载；L为箱梁计算跨径；ej为倾覆侧各横向加载车道到倾覆轴线的距离；γG为对结构抗倾覆不利的上部结构恒载的重要性系数，取1.2；γQ为对结构抗倾覆不利的汽车荷载效应的重要性系数，其取值规定如下：

选用修正后的抗倾覆稳定系数计算公式，再次计算5种工况荷载作用下结构的抗倾覆稳定系数，结果见表3。由表3可知：除了工况三以外,各工况荷载作用下由公式(1)计算所得γqf结果均小于1.3。此时，虽然抗倾覆稳定系数结果不同，但连续钢箱梁的抗倾覆能力是相同的。若此时采取措施使得抗倾覆稳定系数仍然大于1.3，其钢箱梁的抗倾覆性能将得到显著提高。

表3 由修正公式(1)所得的抗倾覆稳定系数结果

由式(1)可知，工况相同时若要增大结构的抗倾覆稳定系数，需增大其抗倾覆力矩。结合支座反力计算结果(图4)可得，在不同工况荷载作用下，边支座竖向反力远小于中间支座的竖向反力。因此，在钢箱梁两端箱室内浇筑混凝土在增大抗倾覆力矩的同时也能使得各支座受力均匀，避免墩柱产生不均匀沉降。

根据连续钢箱梁结构特点，在联端箱室内浇筑配重混凝土时有2种布置方式。其一是仅在中间两箱室内浇筑混凝土，混凝土高度较高，易导致箱梁重心升高；其二是在4个箱室内浇筑混凝土，但部分混凝土在自重作用下会产生较大的倾覆力矩。2种混凝土配重方式如图5所示。

图5 配重布置示意图(单位:mm)

为了研究2种配重布置方式对连续钢箱梁桥抗倾覆性能的影响，分析2种配重布置方式在相同工况下(工况一)的结构抗倾覆稳定系数与混凝土体积之间的关系。抗倾覆稳定系数随混凝土体积变化的规律如图6所示。

图6 抗倾覆稳定系数随混凝土体积变化的规律

由图6可知，在相同工况下浇筑相同体积的混凝土，配重方式一比方式二对结构抗倾覆稳定系数的提高更明显，且随着混凝土体积的增加，配重方式一与配重方式二的抗倾覆效果差别越来越大，配重方式一优于方式二。结合文中的工程背景，当在钢箱梁两端浇筑150 m3混凝土时，2种配重方式的抗倾覆稳定系数值接近，但配重方式二浇筑的混凝土高度小、施工更便捷。因此，采用配重方式二来提高钢箱梁桥横向抗倾覆稳定性。

3.2 抗倾覆措施结果分析

为了研究在连续钢箱梁两端箱室内浇筑混凝土对提高结构抗倾覆能力的影响，对比配重前后使用修正公式计算得到的连续钢箱梁不同工况荷载作用下的抗倾覆稳定系数。同时，对比配重前后连续钢箱梁桥不同工况荷载作用下纵桥向各跨最大弯矩和中间支座负弯矩的大小，研究混凝土配重对桥梁上部结构内力的影响。配重前后不同工况下纵桥向各跨最大正弯矩、中间支座负弯矩及结构的抗倾覆稳定系数见表4。

由表4可知:在连续钢箱梁两端浇筑混凝土后，其边跨跨中最大正弯矩及中间支座最大负弯矩增加，中跨跨中最大正弯矩减小；相较于未增加配重时，在箱室内浇筑混凝土增加配重后，成桥状态下，边跨最大正弯矩增幅约为8.3%，中支座处最大负弯矩增幅约为3.3%，中跨最大正弯矩增幅约为-21.1%；且相较于未增加配重时，连续钢箱梁桥在不同工况荷载作用下的抗倾覆稳定系数均有显著提高，具有更好的横向抗倾覆性能。

表4 不同工况下纵桥向各跨最大正弯矩、中间支座负弯矩及结构的抗倾覆稳定系数结果

4 结论

结合工程实际，对连续钢箱梁桥在重车偏载作用下的抗倾覆性能进行了有限元分析。分析了连续钢箱梁桥在重车偏载作用下上部结构、支座、墩柱的稳定性。对《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)中抗倾覆稳定系数的计算公式进行了修正，提出在钢箱梁内部浇筑配重混凝土的方法来提高钢箱梁桥横向抗倾覆的稳定性能，在对钢箱梁结构配重前后不同工况下的计算结果进行分析后，得出了以下结论：

1)依托工程背景下的连续钢箱梁桥在重车偏载作用下，支座及墩柱不会在水平力及竖向力的作用下发生破坏，导致上部钢箱梁落梁。但应注意因偏载过大可能引起钢箱梁桥的整体翻转倾覆。

2)对《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)中抗倾覆稳定系数的计算公式进行修正后，虽然钢箱梁桥的抗倾覆能力不变，但使用修正公式得到的结构的抗倾覆稳定系数结果更小。说明采用修正公式的计算结果使钢箱梁桥具有更大的安全储备，结构设计偏于安全。

3)在连续钢箱梁两端箱室内浇筑一定量的混凝土，在显著提高钢箱梁桥抗倾覆稳定系数的同时对连续钢箱梁桥的内力影响不大，表明在箱室内浇筑混凝土提高钢箱梁桥结构横向抗倾覆稳定性的方法是可行的。