李德鋒 郭威 王迪

(1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710075;2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064;3.上海中交海德交通科技股份有限公司西安分公司，陜西西安 710075)

0 引言

匝道是連接引線與主線互通的線路，線形多為曲線。匝道橋與直線橋相比，在自重與移動(dòng)荷載作用下主梁承受的扭矩要大許多。匝道橋傾覆事故時(shí)有發(fā)生，如2007年10月包頭市民族東路高架橋傾覆，2009年11月南京市內(nèi)環(huán)西線南延工程匝道傾覆，為橋梁工程師敲響了警鐘。隨著交通量的日益增長(zhǎng)，車輛荷載顯著增大，而大多數(shù)匝道橋梁較主線橋梁狹窄，自重小，車輛荷載在荷載組合中所占的比重大。因此有必要按照新的車輛荷載工況對(duì)早期設(shè)計(jì)施工的此類匝道橋進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算。

1 工程概況

沈士互通A匝道位于杭州市繞城公路東段第一合同段，南連杭甬、杭金衢高速公路，北接滬杭高速公路，中心樁號(hào)K0+396.03，橋梁起點(diǎn)樁號(hào)為 K0+098.17，終點(diǎn)樁號(hào)為 K0+693.89，全長(zhǎng)595.72m。全橋共分為五聯(lián)，跨徑為(6×19.3)m+(6×19.3)m+(25+35+35+25)m+(6×20)m+(6×20)m。上部結(jié)構(gòu)中除第三聯(lián)為預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆鋼筋混凝土連續(xù)箱梁外，其余均為后張預(yù)應(yīng)力混凝土空心板。

2 計(jì)算依據(jù)

按照J(rèn)TG D62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范5.1條及條文解釋，主梁傾覆穩(wěn)定性的計(jì)算屬于承載能力極限狀態(tài)，抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算應(yīng)該按照極限承載力計(jì)算，因此荷載效應(yīng)的組合系數(shù)按照J(rèn)TG D62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范4.1.6條對(duì)承載能力極限狀態(tài)基本組合荷載效應(yīng)系數(shù)的規(guī)定取值。根據(jù)彎橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主梁通常處于外側(cè)超載，內(nèi)側(cè)卸載的受力狀態(tài)，當(dāng)活載偏置時(shí)，梁內(nèi)側(cè)支座甚至?xí)a(chǎn)生負(fù)反力。當(dāng)支座出現(xiàn)負(fù)反力即意味著梁底與支座面將脫空，所以支座不出現(xiàn)負(fù)反力是保證匝道橋不發(fā)生傾覆的重要條件。當(dāng)然一個(gè)支座的脫空，可能不會(huì)引起梁的迅即傾覆，但是已經(jīng)達(dá)到臨界狀態(tài)。

在相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中，均有關(guān)于禁止支座脫空的描述，因此以聯(lián)端內(nèi)側(cè)支座不出現(xiàn)負(fù)反力作為滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

3 模型建立

本文采用Midas/Civil空間有限元軟件分別建立該匝道橋第三聯(lián)加固前后的計(jì)算模型。由于連續(xù)梁橋抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算受橋墩影響可以忽略，故直接在主梁相應(yīng)位置設(shè)立約束條件模擬支座，省去下部結(jié)構(gòu)模型的建立。

3.1 主梁截面

主梁截面如圖1所示。

上緣寬13.25m，底緣寬7.25m，高3.3m。用AutoCAD 繪制出箱梁截面形狀后倒入Midas截面特性計(jì)算器中，生成Plane形式截面，計(jì)算截面特性后，導(dǎo)出sec文件。在Midas/Civil中可調(diào)入該截面使用。

3.2 主梁線形輸入

該橋位于A=175m至R=300m平曲線上，豎曲線要素為R=6 377m，T=114.786m。首先分別計(jì)算出平面與立面坐標(biāo)，間隔為每延米一個(gè)。之后將線形按坐標(biāo)輸入AutoCAD繪制多段線后導(dǎo)入Midas/Civil中。

平面緩和曲線坐標(biāo)表達(dá)式:

其中，x，y為坐標(biāo)值;A為回旋線參數(shù);l為曲線長(zhǎng)度。

豎曲線基本方程式為:

其中，R為豎曲線半徑;i為縱坡度。

計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

3.3 支座約束模擬

彎橋的支座應(yīng)使用節(jié)點(diǎn)局部坐標(biāo)來(lái)正確模擬約束形式，本例中以順橋向?yàn)閄軸，橫橋向?yàn)閅軸，設(shè)置節(jié)點(diǎn)局部坐標(biāo)系。對(duì)于有縱坡的橋梁，固定端支座應(yīng)設(shè)置在低處，這樣可將主梁自重轉(zhuǎn)化為梁體內(nèi)的壓應(yīng)力，相當(dāng)于免費(fèi)的預(yù)應(yīng)力。本文驗(yàn)算的匝道橋一聯(lián)4孔，聯(lián)端為雙支座，聯(lián)內(nèi)支座加固前為單支座，沿橫橋向在軸線外側(cè)設(shè)10cm偏心，加固后為間距3.1m的雙支座。支座約束設(shè)置見(jiàn)圖3。

3.4 荷載確定

計(jì)算除恒載和汽車荷載之外，還綜合考慮了溫度荷載、支座沉降等因素。支座沉降按0.005m計(jì);溫度按JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范4.3.10計(jì)算;橋面靜荷載:護(hù)欄單側(cè)每延米重9.1kN/m，橋面鋪裝厚10cm;活載按2車道計(jì)算，車輛荷載尺寸及位置按JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范4.3.1條相關(guān)規(guī)定，考慮沿橋軸線外側(cè)偏載布置;箱梁采用C40混凝土，容重取26kN/m3;車輛荷載分三種工況:工況1:JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范公路—Ⅰ級(jí)荷載;工況2:1.3倍公路—Ⅰ級(jí)荷載;工況3:重車(1.2倍標(biāo)準(zhǔn)荷載)自定義車輛荷載(按1.2倍的規(guī)范55t車輛荷載進(jìn)行加載計(jì)算，車隊(duì)縱向兩車的前后輪輪距為10m)。荷載組合系數(shù)為:1.0永久作用+1.12溫度作用+0.5支座沉降作用+1.4車輛荷載。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

聯(lián)端內(nèi)側(cè)支座支反力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 支反力計(jì)算結(jié)果

以上計(jì)算結(jié)果表明，加固前當(dāng)車輛荷載在最不利位置加載時(shí)匝道橋聯(lián)端內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)負(fù)反力。因此認(rèn)為該匝道橋在加固前，在現(xiàn)行公路橋梁規(guī)范中的汽車荷載、超載以及重車作用下會(huì)發(fā)生傾覆。

加固后匝道橋聯(lián)端內(nèi)側(cè)支座在三種移動(dòng)荷載工況下均不出現(xiàn)負(fù)反力，并且安全儲(chǔ)備大，滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求。

5 結(jié)語(yǔ)

1)本文驗(yàn)算的獨(dú)柱寬幅匝道橋加固前在現(xiàn)行公路橋梁規(guī)范指定的車輛荷載作用下會(huì)發(fā)生傾覆，不滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求。

2)該匝道橋加固后在聯(lián)內(nèi)的墩頂設(shè)置了間距3.1m的雙支座，各車輛荷載工況組合作用下支座不出現(xiàn)負(fù)反力，并且安全儲(chǔ)備大，能夠滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求。

3)匝道橋抗傾覆穩(wěn)定性與其支座偏心、橫向間距、車輛荷載與車道偏心、汽車超載程度等因素有關(guān)，此類型橋梁在計(jì)算時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎、充分考慮以上因素。

[1]戴公連，李德建.橋梁結(jié)構(gòu)空間分析設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社，2001.

[2]袁攝楨，戴公連，吳建武.單柱寬幅連續(xù)梁橋橫向傾覆穩(wěn)定性探討[J].中外建筑，2008(7):21-22.

[3]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].