大跨径简支钢箱梁弯桥抗倾覆性能研究

潘孝仰 1 刘勇 2

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【摘要】近年来，随着我国的现代工程经济不断发展和进步，我国的公路施工技术也在不断提升，本文结合简支钢箱梁弯桥为研究内容，探讨了该工程的设计要点，并探讨倾覆破坏的机理，并结合有限元模型验算方法来验证其倾覆性能。研究结果表示，当汽车行驶在弯桥外侧时候后会增加桥梁倾覆的风险，通过增加支座附近的承重可以提升倾覆安全性。

【关键词】：大跨径简支钢箱梁；弯桥抗倾覆；性能研究

城市的高架立交桥设计需要考虑跨越下桥梁的质量要求，同时也要保证地面道路的布线质量。当桥梁跨越时候若不能落蹲，就需要采用较大跨径的简支梁桥。整体而言，钢箱梁的特点在于造型美观，整体质量轻，可跨越范围广，可实现预制、拼接施工，可减少施工工期，适合城市使用。因为简支钢箱梁弯桥整体自重较小，跨径越大，整个桥梁的弯矩效果就越明显，容易出现倾覆问题。此外，我国的城市道路和公路道路的施工周期长，桥梁倾覆事件也时有发生，针对此，针对大跨径的简支钢箱梁弯桥，设计人员需要加强倾覆设计，保证使用质量。

1.案例分析

被本次研究选取一座城市内的60米长简支钢箱梁弯桥为研究内容，在确定跨境和桥宽的基础上，分析钢箱梁弯桥的倾覆破坏机理，进而分析支座间距、承重因素、重车偏心荷载等为研究内容。

2.倾覆破坏机理研究

目前，桥梁的倾覆破问题主要受到两方面影响。第一是结构倾覆力矩大于活荷载，进而导致倾覆力矩变大， 整个支座也不会出现脱空的问题，而且支座会承受较大的水平荷载，墩柱会因刚度和承载能力下降出现上部结构变形；第二是结构的活荷载大于的力矩大于抗倾覆力矩让制作出现明显的脱空问题，而整个桥梁的梁体结构在竖向弹性的影响下出现变形倾覆，因为整体设计都十分注重结构的刚度和强度，这种问题直接导致严重偏心超荷载出现严重的倾覆破坏问题。这种问题影响较大而且较为常见，也是本文研究的主要方向。

3.项目简介

本项目的钢箱梁采用单项多室截面，采用等高设计，整体的梁高2.4m，悬臂长2m、支座底板局部加厚且横向加劲肋板厚16mm、支座间距为7.5m，桥面采用6cm的沥青混凝土铺装。

4.有限元模型建立分析

本次研究采用 Civil 2019 软件进行简支梁箱梁建模分析，如图1所示。有限元模型采用Midas自定义梁截面参数，共计60个单元。在模型的制作下方设计多个固结约束，并用弹性连接的方式连接制作节点和对应的单元阶段，也可以按照实际的支座定义一般的弹性连接刚度。整个钢箱梁的荷载取值按照《公路桥涵设计同样规范》、《城市桥梁设计规范》的规定的方法进行计算，其他参数设定值为（1）冲击系数取0.135；结构基频为2.4-2.5Hz；温度取值范围为±24摄氏度；基础不均匀沉降预估为12±2mm。

（图1 简支梁箱梁建模）

5.确定倾覆轴

当弯桥的桥中跨度所有支座位于桥台外侧的支座连线内侧时候，倾覆轴线定为桥台外侧的支座连线；跨中桥墩的支座处于桥台外侧支座连线外侧时候，倾覆轴线属于桥台外侧和跨中桥墩的支座连线。对比可知，倾覆轴线在外侧支座时候，车道偏离外侧没有落在倾覆轴线外侧，汽车荷载的横向布置情况如图2所示。

（图2 汽车荷载的横向布置情况）

6.分析影响桥梁的倾覆因素

6.1偏心超载的影响

目前我国的公路和城市道路都存在着一定的超载问题，很多事故的发生多是因为严重偏心偶然超载所导致，如重车在曲线的桥外侧超车，整个钢梁设计时候也要考虑抗倾覆性能的安全储备问题。进行计算研究表示，相同桥墩的弯桥外侧行驶的倾覆危险较大，随着汽车的荷载增加，最小支座反作用力减少，也增加了支座脱空的风险。测试表示，可以通过控制超载车辆通行来减少风险，如当汽车荷载增加2. 5 倍城 － A，整个结构的抗倾覆系数低于2.5，完全超出了抗倾覆的要求，因此可以通过控制车辆通行荷载来减少倾覆危险性。

6.2支座间距的影响

从抗倾覆安全系数、倾覆轴线的计算公式可知，支座的位置会影响倾覆轴线和抗倾覆系数，因此可探究支座间距对整个抗倾覆性能的影响。本文采用对比分析法，探讨不同的支座间距下，支座反力和抗倾覆系数的变化情况。结果可知，支座间距的减小1m，最小支座反力会缩短300-400KN，当制作间距缩小2m时候，最小支座反力可能出现负值，存在脱空危险，此时桥梁的抗倾覆设计已经不能满足要求。对此在设计中可以科学设施设置支座位置，合理确定支座间距来提升桥梁的抗倾覆性和安全储备效果。

6.3压重的影响分析

在钢桥梁设计中为了加强桥梁的稳定性和抗倾覆能力，很多单位都在桥梁的边跨支座附近灌注混凝土来增加其质量，对比灌注混凝土和没有灌注的模型，整个梁端承压都存在抗倾覆性能的影响。研究时候在支座跨中箱体内灌注混凝土，整个容量为每立方米24KN，计算的模型中都采用单元均部荷载的方式来考虑压重，可在5.4m范围内增加均布荷载。验证分析表示，支座间距为7.6m时，采用压重方法，最小支座反力增加了200-300KN，抗倾覆系数也有所增加；表示增加支座附件压重可以提升钢箱梁桥的抗倾覆安全效果。

7.结论

本次研究采用了有限元验证分析法，探讨了 简支钢箱梁弯桥倾覆破坏机理，用60m长度的桥梁为例，分析了超荷载、支座间距、压重与否对桥梁的抗倾覆影响效果。结果表示，当汽车荷载偏外加载时候，支座反力在内侧加载，汽车偏外侧行驶时候可能出现梁倾覆风险；而制作减小2m时候，支座脱空的风险变大，整个系统的抗倾覆系数也会减小，整个支座的合理设置也对桥梁的抗倾覆性能起到了关键的作用；经过后期的计算研究表示，增加支座附近的压重能有效地增加钢箱梁桥的抗倾覆安全性能。综上所述，桥梁设计单位要考虑多方面因素对简支钢箱梁弯桥倾覆破坏的影响，做好设计参数控制，减少倾覆风险，保证设计质量。

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