摘要：在桥梁工程建设中，钢箱梁凭借自身优势而得到广泛推广和应用，其具有良好的抗弯性能、可靠的抗扭性能和较大的跨越能力，但自重较轻，不利于结构横向抗倾覆。自2007年，内蒙古包头、天津、浙江上虞等地相继发生箱梁匝道桥体横向倾覆失稳垮塌事故后，抗倾覆稳定性设计越来越受到重视。JTGD62—2012《公路钢筋混凝土及预应力桥涵设计规范》2012年征求意见稿（以下简称《公预规意见稿》）中，增加抗倾覆验算的内容。
关键词：小半径曲线；钢箱梁桥；抗倾覆稳定性
引言
近年来，我国桥梁建设飞速发展，弯梁桥结构已被广泛应用。在城市桥梁建设中，桥梁结构布置的难点一般是曲线上的桥梁结构。在布置墩位时，既要考虑跨越其下的桥梁，又要考虑地面的道路设置，这时跨径较小的普通钢筋混凝土连续曲线箱梁已经难以满足需要。在工期、交通组织允许的情况下，一般选用较为经济的预应力混凝土连续曲线梁；在工期紧张，交通组织要求严格，施工不能中断交通时，一般选用连续曲线钢箱梁，目前连续曲线钢箱梁的应用日益广泛。如在太原天龙山防火旅游通道工程中，场地狭窄、曲线半径小、坡度大，桥梁上部结构全部采用连续曲线钢箱梁，用钢量达1.7万吨。
1小半径曲线钢箱梁桥主要特征
和一般的桥梁形式相比，连续曲线钢箱梁桥具有一系列独特的特征，比如，针对连续曲线钢箱梁的跨径来说，在30~60m时，一般选用等高度的箱梁断面就能够满足立交桥的总体布置要求。连续钢箱梁有以下一些明显的特点：
（1）钢结构的自重质量较轻，其质量要远远小于混凝土连续结构。
（2）钢材具有较高的抗拉压性能，容易通过调整钢板的厚度来满足弯矩分布的不规则。
（3）梁的高度小和跨度大能够较好地适应总体布置的要求。
（4）钢箱梁采用工厂加工制作，临时墩支撑，分段吊车安装就位，施工方便快捷，对现况道路交通影响小。
（5）钢箱梁加工复杂，技术要求高，需要专业的加工队伍，造价和后期维护费用较高。
2小半径曲线钢箱梁病害及应对措施
2.1钢箱梁病害及成因
1）梁体向曲线外侧径向侧移
曲线梁在汽车活载的离心力和制动力长期反复作用下容易产生主梁向曲线外侧及汽车制动力方向的水平错位，一般匝道桥都是单向行驶，所以这种作用力总是朝着固定方向。由于主梁的偏移改变了各支承与主梁的原有位置，使主梁向外偏转倾向更加严重，主梁扭矩也在增加，严重时可使主梁滑落。造成这种情况的原因是支座布置不合理，全联支承体系抗扭能力及水平向抗滑动能力弱。在曲线梁桥的中墩和桥台处不应全部设置为活动支座，要至少设置1个固定支座在桥台或者桥墩处，在桥台主梁侧面也宜设置防侧滑装置。
2）梁体曲线内侧支座脱空
结构受到了很大的扭转作用，布置的支座无抗扭能力，导致端支座承担的扭矩大，当端横梁宽度不够时就会出现支座脱空的现象。
2.2针对病害采用的措施
1）将中墩处的横梁做成与桥面等宽或者宽于桥面，保证支座横向布置距离足够大，增加抗扭能力。
2）在端横梁处用混凝土压重，避免出现支座脱空。
3）在支座附近设计抗拉拔装置，保证横向稳定性。
3小半径曲线钢箱梁桥抗倾覆稳定性分析
某高架匝道桥，位于半径为60m的平面圆曲线和缓和曲线上，下部结构采用独柱花瓶墩，墩顶设双支座且均为单向受压支座。选取其中一联3×30m钢箱梁为研究对象。桥顶面宽11.2m，梁高1.6m，支座间距3m。
3.1计算分析
3.1.1计算模型
采用MIDAS/Civil建立连续钢箱梁的有限元模型。连续钢箱梁荷载取值如下：
1）主梁自重自动计算。模型中未包含横隔板等构件，通过提高自重系数实现。
2）二期恒载包括桥面铺装和防撞护栏。
3）汽车荷载。城-A级，根据CJJ11—2011《城市桥梁设计规范》要求取值。冲击系数按JTGD60—2015《公路桥涵设计通用规范》计算。
4）温度作用。考虑整体升降温，温度梯度效应按照JTGD60—2015《公路桥涵设计通用规范》计算。
5）不均匀沉降。由于本桥所在平面曲率较大，为防止支座脱空，边墩曲线外侧设30cm横向偏心，并在边墩适当范围内浇筑混凝土进行压重。
作用效应值组合时的计算工况为：恒载+最不利汽车偏载+不均匀沉降+整体升/降温+梯度升/降温。
3.2支座反力计算结果
在标准组合下支座均处于受压状态，未出现支座脱空。曲线梁内弧腹板长度较外弧腹板短，造成截面重心线偏向曲线梁的外侧。在恒载作用下，结构因截面体积重心的偏心产生沿梁长扭矩，且曲线半径越小，效应越明显。
3.3计算抗倾覆稳定系数方法一
当跨中桥墩全部支座位于桥台外侧支座连线时，倾覆轴线为跨中桥墩支座连线。因此，选取2-2和3-2支座连线作为倾覆轴线1。在箱梁桥倾覆过程中，桥台或过渡墩内侧支座容易脱空，开始倾覆，结构受力体系发生变化。将3-2和4-2支座连线作为倾覆轴线2。倾覆轴线示意图见图1。
图1倾覆轴线示意图
按式（1）计算结果如下。
倾覆轴线1：
稳定效应
失稳效应
抗倾覆安全系数：
倾覆轴线2：
稳定效应
失稳效应
抗倾覆安全系数：
按《公预规意见稿》计算得到最小抗倾覆系数为20，满足抗倾覆系数最小值要求。
3.4计算抗倾覆稳定系数方法二
按方法2需计算某一单向受压支座失效时，结构具有足够的抗倾覆能力。支座反力按全部支座有效的支撑体系计算。在MIDAS/Civil中通过反力组提取同一时刻的支座反力。由于曲线桥在汽车偏载作用下，内侧支座相较于外侧支座更易脱空，所以分别计算1-1、2-1、3-1和4-1支座失效时的抗倾覆能力。结果见表1。
从以上计算结果中可以看出，当1号墩~4号墩内侧支座失效时，均能满足抗倾覆稳定系数最小值的要求。但与3.3节的计算结果相比，显然本节计算得到的稳定系数较小。
3.5计算方法对比分析
按方法1计算得到的最大失稳效应Ssk，max1=4076kN•m，最大稳定效应Sbk,max1=173381kN•m；按方法2计算得到最大失稳效应Ssk,max2=5228kN•m，最大稳定效应Sbk,max2=19573kN•m。Ssk,max1/Ssk,max2=0.78，Sbk,max1/Sbk,max2=8.8。可以看出按方法2计算得到稳定效应较小，导致稳定系数相差较大。这是由于2种方法对倾覆形式的定义不同。
表1支座1-1失效时抗倾覆计算项目
1）方法1。认为结构倾覆是在汽车偏载作用下，受压支座脱空，边界条件失效，结构绕倾覆轴线发生刚体转动而倾覆。事实上，对于曲线桥，桥梁倾覆过程中边界条件是变化的，体系抗扭刚度不断降低，而不是以刚体形式发生整体翻转。
2）方法2。取消倾覆轴线的概念，箱梁桥同一桥墩的一对双支座构成一个抗扭支承，起到对扭矩和扭转变形的双重约束；当双支座中的一个竖向力为零或失效后，另一个有效支座仅起到对扭矩的约束，失去对扭转变形的约束，达到特征状态1。若此时其他桥墩支座不具备足够的抗力，支座依次脱空，箱梁将失去抗扭支承，处于受力平衡或扭转变形失效的极限状态，达到特征状态2。之后箱梁变形发散，边界条件失效，导致倾覆破坏。
两者对比可以发现，方法2的倾覆形态更符合小半径曲线桥的倾覆破坏形态，计算结果更为安全合理。
结语
方法1和方法2对于结构倾覆形式的定义不同。计算表明对于小半径曲线桥梁，方法1得到的抗倾覆系数较大，偏于不安全。方法2定义的倾覆形式更加符合小半径曲线桥梁实际发生的倾覆形式，计算结果更为安全合理。
参考文献
[1]范立础.桥梁工程:上册[M].北京:人民交通出版社,2014.
[2]姚林森.曲线梁[M].北京:人民交通出版社,1992.
论文作者:乔明
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/17
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