顧曉毅

［上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092］

0 引 言

20 世紀90 年代以來，隨著高速公路和城市立交橋建設日益增多，在高等級公路相交點或城市主干道交叉口的樞紐處，采用了大量曲線橋梁。曲線橋梁在力學特性上表現為豎向彎曲、面外變形與扭轉的“耦合”，結構變形和受力復雜，因而設計時常采用閉口式箱梁截面，以利用結構的整體抗扭剛度。

值得注意的是，在橋梁墩位設置受限、橋梁曲率半徑較小、跨度較大和施工條件困難等情況下，曲線橋梁常采用鋼結構，以充分發(fā)揮鋼結構工業(yè)化程度高、自重輕和便于現場安裝等優(yōu)點。與此同時，由于鋼結構橋梁自重輕、活載和其他可變荷載比重大、日照梯度溫度效應敏感等不利因素，導致近年來在橋梁施工和運營過程中，橋梁傾覆失穩(wěn)事故常有發(fā)生，詳見表1。

本文通過參數分析，從曲線橋梁支座布置、平面圓心角和曲率半徑等方面，探討曲線橋梁的抗傾覆穩(wěn)定影響效應。

1 橋梁抗傾覆穩(wěn)定設計準則

目前，國內橋梁規(guī)范關于橋梁抗傾覆穩(wěn)定，考慮兩個準則[1-3]：

（1）“準則一”：作用基本組合下，單向受壓支座應始終保持受壓狀態(tài)；

（2）“準則二”：按作用標準組合時，作用效應應符合∑Sbk，i/∑Ssk，i≥Kqf（注：∑Sbk，i、∑Ssk，i分別為使結構穩(wěn)定和失穩(wěn)的效應設計值，抗傾覆穩(wěn)定系數Kqf=2.5）；

準則一考慮基本組合的可變荷載作用下支座不脫空，準則二考慮標準組合下支座對主梁繞某個不利主軸的扭轉變形控制。兩個準則互為補充。

國外規(guī)范對橋梁抗傾覆穩(wěn)定的規(guī)定略有差異。英國《鋼、混凝土結合橋規(guī)范》（BS5400）規(guī)定，對應標準荷載的最小恢復力矩應大于設計荷載的最大傾覆力矩（設計荷載分項系數1.5），相當于抗傾覆穩(wěn)定系數Kqf=1.5；美國AASHTO《公路橋梁設計規(guī)范》針對抗傾覆穩(wěn)定作了定性規(guī)定：結構作為一個整體和它的各構件應抵抗滑動、轉動、提起和壓屈荷載，分析和設計中應考慮荷載偏心矩對抗傾覆能力的影響。

表1 近年橋梁傾覆失穩(wěn)事故

2 橋梁支座布置對抗傾覆穩(wěn)定影響

橋梁的兩端支座布置一般采用雙支座，而中墩支座布置各有不同。可分為如圖1 所示三種形式。

圖1 曲線橋梁支座布置形式

理論研究表明，不同支座布置形式影響橋梁扭轉受力，進而影響橋梁的抗傾覆性能。圖2 為有限元參數分析結果曲線，反映了中墩分別采用單、雙支座形式對橋梁抗傾覆穩(wěn)定的影響，可以看出：中墩采用單支座布置時，抗傾覆穩(wěn)定系數維持在較低水平，對橋梁平面半徑不甚敏感；中墩采用雙支座布置時，對橋梁抗傾覆穩(wěn)定有利，Kqf隨橋梁平面半徑增大而顯著提高。

圖2 單、雙支座對抗傾覆穩(wěn)定影響

為定量分析橋梁中墩在不同支座布置時，不同跨徑和曲率半徑的曲線橋梁Kqf和梁端內側支座最小反力的變化情況，選取以下計算假定：

（1）荷載等級：城—A 級；

（2）橋梁結構采用寬度8.5 m、結構高度2.0 m的單箱室鋼箱梁斷面，梁端壓重布置相同；

（3）雙支座間距D=2.5 m，按恒載下內外側支座反力均衡原則調偏；中墩單支座布置在結構中心線；

（4）抗傾覆穩(wěn)定系數Kqf、梁端內側支座最小反力N按國內規(guī)范[1-3]驗算。

有限元參數分析結果曲線分別如圖3、圖4 所示。

圖3 反映了基于“準則二”的抗傾覆系數Kqf變化規(guī)律：（1）相同跨徑時，采用雙支座布置的Kqf較大，單支座布置Kqf較小，單雙支座間隔布置時在兩者之間；（2）隨著橋梁曲率半徑增大，Kqf相應提高，同樣跨徑布置下，雙支座布置時Kqf提高最為明顯；（3）相同曲率半徑時，Kqf隨跨徑布置增大而變小。

圖3 抗傾覆穩(wěn)定系數

圖4 主梁支座最小反力

圖4 反映了基于“準則一”的梁端支座反力變化規(guī)律：（1）在橋梁同一跨徑和曲率時，采用雙支座布置時梁端支座反力儲備N較大，單支座布置N較小，單雙支座間隔布置N在兩者之間；（2）同一跨徑橋梁，隨著橋梁曲率半徑增大，梁端支座反力儲備N顯著增加；（3）橋梁曲率半徑R較小時（如R=50 m），同樣曲率半徑下，當跨徑布置增大時（即圓心角φ增大），由于受溫度梯度內力影響，支座反力N反而變小。

由此可見，中墩采用抗扭雙支座，可以有效改善曲線橋梁抗傾覆穩(wěn)定性能，且Kqf隨橋梁平面半徑增大而顯著提高?？紤]到橋梁運營過程中公路超載或其他非預見性荷載常有發(fā)生，中墩盡可能采用雙支座布置，這是提高橋梁抗傾覆能力的有效措施。

3 橋梁平面圓心角對抗傾覆穩(wěn)定影響

曲線橋梁平面圓心角φ 是反映彎曲程度的重要參數，決定彎橋受力和抗傾覆穩(wěn)定性。曲率半徑相同時，一聯(lián)橋梁的跨長越大，其彎曲程度越大，即扭轉效應更為明顯。有限元參數分析結果曲線圖5 所示，反映了橋梁平面圓心角對橋梁扭轉的影響，可以看到：圓心角φ 增大，曲線橋梁在抵抗扭轉方面需要更大的抗扭力矩，對橋梁抗傾覆穩(wěn)定影響更為明顯。

圖5 主梁恒載最大扭矩

圖6 反映了基于“準則二”的中墩采用雙支座的三跨鋼梁Kqf—φ 變化規(guī)律：（1）隨著圓心角φ 增大，橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數顯著減少；（2）圓心角相同時，趨于穩(wěn)定，隨跨徑、半徑變化不甚劇烈，圓心角φ 是Kqf的決定參數。

圖7 反映了基于“準則二”的中墩采用雙支座的三跨鋼梁Kqf—R變化規(guī)律：（1）相同曲率半徑時，橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數隨跨徑（或圓心角φ）增大而減少；（2）曲率半徑R＞200 m 時（即圓心角φ＜21.5°～34°），Kqf趨于穩(wěn)定，隨跨徑變化不甚劇烈，這與文獻[4]關于“曲梁圓心角在φ＜22.5°～30°時主梁受力可忽略扭轉影響”的結論吻合。

由此可見，通過控制曲梁的長度從而減少圓心角φ，可以有效改善曲線橋梁抗傾覆穩(wěn)定性能。實際設計中，圓心角φ、橋梁半徑和橋梁長度是互為制約，在總體設計時需統(tǒng)一考慮。

圖6 Kqf-φ 變化φ 曲線

圖7 Kqf - R 變化曲線

4 結 語

支座布置、平面圓心角φ 和曲率半徑是影響橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的重要因素。中墩采用雙支座能有效約束主梁扭轉變形，從而提高橋梁抗傾覆能力；同時，通過控制一聯(lián)橋梁的長度從而減小圓心角φ，也可以有效改善曲線鋼橋的抗傾覆穩(wěn)定性能。