1、曲线独柱匝道桥抗倾覆荷载试验技术研究【摘要】 汲取独柱曲线匝道桥梁倾覆事故的教训，结合现行的公路桥涵规范在抗倾覆性能方面的规定与要求，考虑超载车、重车对独柱墩桥梁的影响，本文通过曲线独柱墩匝道桥在正常使用状态下的杭倾覆能力试验，对该桥梁在最大偏心荷载下的抗倾覆性能进行验证，得出了一定的分析结果，为以后的桥梁加固与设计提供可靠、详实的资料，对桥梁的安全运营提供有力保障。 【关键词】曲线匝道桥；抗倾覆；荷载试验 中图分类号：U445 文献标识码：A 在高等级公路建设中，除特大桥梁外，一般中、小桥梁的平面布置要求服从公路线形，此时，曲线梁桥往往成为最优方案。此外，高大桥梁两端的引桥，采用曲线梁桥可以
2、有效的节省建设用地。曲线梁桥除了能很好的适应地形、地物的限制，由于其结构线条平顺、流畅、明快，还能给人以美的享受，一座漂亮的曲线桥甚至可能成为城市一道风景，成为一座城市的象征。 独柱墩连续梁桥由于其截面形式的流畅、独柱墩占用桥下空间小、整体结构美观而受到青睐，广泛应用于匝道桥梁但由于其截而下缘有部分弧线、且独柱墩墩顶较窄，使得同墩顶支座布置的横向间距小人，在汽车偏载作用下，对结构抗横向倾覆稳定非常不利。2005 年 9 月 17 日威乌高速津文立交桥 D 匝道桥、2009 年 7 月 15 日津晋高速公路港塘互通立交桥 A 匝道独柱墩桥梁因通行车辆偏载发生倒塌，2011 年九大街跨京山铁路桥因
3、通行车辆偏载发生翻转，险些坍塌，这次事故给我们桥梁工程师再次敲响了警钟。本文以某独柱曲线匝道桥为例，在最大偏心荷载下，应用空间分析软件 Midas 对其倾覆稳定性进行了空间分析，并结合分析结果，对正在运营的独柱墩桥梁和以后的独柱墩桥梁的设计提出了新的要求。 1 工程概况 某互通立交 A 匝道桥桥梁总长 201m，跨径布置为：（22+23+22）+（22+23+22）+（22+23+22）m，曲线半径为 70m。上部结构采用钢筋混凝土现浇箱梁，梁高 1.8m。 活载设计标准：按照载重 75 吨，3 轴车最大轴重 30 吨的车辆，间距10m 形成的特种车队荷载布置；桥梁宽度：桥宽 8m，桥面布置为
4、：0.5m（防撞护栏）+7m（行车道）+0.5m（防撞护栏） 。 2 研究目的及内容 研究目的 为了验证该桥在偏载扭矩作用下，能否满足设计的抗扭转稳定性，对该桥 A 匝道桥进行静荷载试验。 研究内容 本次荷载试验的对象为 A 匝道连续箱梁的曲线段，选择 A 匝道 0#墩3#墩曲线段为试验孔跨，主要试验内容为检测在试验偏载作用下主梁的扭转、墩柱变形、及支座反力等。 测试项目： 主梁抗扭刚度：检测在试验荷载作用下结构相应控制断面扭转变形。选择 1#墩位置处 A 截面、1#墩2#墩跨中 B 截面、2#墩位置处 C 截面为主梁扭转测试截面。见图 2-1。 支座反力：检测在试验荷载作用下 0#墩、3#墩
5、抗扭支座的支反力。见图 2-1。 墩柱刚度：检测在试验荷载作用下单支座 2#墩柱的变形及应力； 主梁承载力：检测在试验荷载作用下主梁的应力。选择 0#墩1#墩跨中、1#墩2#墩跨中为测试截面。见图 2-2。 图 2-1 箱梁扭转变形测试截面 图 2-2 箱梁应力测试截面 3 加载工况及测点布置 3.1 加载工况 试验选用 8 辆单车重约 38 吨的汽车(轴距：1.4m+3.4m)。 本次静载试验效率为 0.800.84，试验加载共分为 6 级加载。各级车辆加载位置见图 3-1。 图 3-1 试验加载车布置图（加载车圆圈中数字为加载级数 单位：cm） 3.2 变形测点布置 （1）主梁扭转变形测点
6、布置 A、B、C 每个测试截面分别沿横桥向布置 4 个竖向位移测点。共计12 个测点。在 B 截面布置一个横向位移测点。具体测点布置如图 3-2 和图 3-3 所示。 图 3-2A、B、C 截面竖向位移测点断面图（单位：cm） 图 3-3 箱梁水平位移测点布置图（单位：cm） （2）支座变形测点布置 在 0#墩、3#墩抗扭支座顶端布置测点，用以测试橡胶支座的弹性变形。测点布置如图 3-4。 图 3-4 支座测点布置图 （3）墩柱水平位移测点布置 桥墩顶水平位移检测选取单支座 2#墩，测试墩顶纵桥向及横桥向水平位移，具体布置见图 3-5。 图 3-5 墩顶位移测点布置平面图 3.3 应力测点布置
7、 （1）主梁应变测点布置 选定 0#墩1#墩边跨跨中、1#墩2#墩中跨跨中截面为应力测试截面。应变测试采用电阻应变片测量。应变测点位置见图 3-6 所示。 图 3-6 应变测点布置立面图（单位：cm） （2）墩柱应变测点布置 沿纵向和横向在单支座 2#墩墩底位置处布置应变测点。见图 3-7。 图 3-7 墩柱应变测点布置图 4 试验结果 本次试验理论分析采用结构有限元分析软件 Midas/Civil 对结构作空间分析，模型如图 4-1。 图 4-1 全桥模型 试验效率 本次静载试验测试截面 A、B、C 的试验效率分别为0.80、0.80、0.84，表明本次静载试验能够反映结构的控制截面在设计荷
8、载作用下的工作性能。 主梁截面抗扭刚度检测结果 箱梁 A、B、C 测试截面各测点的检测结果见表 4.1。 表 4.1 荷载作用下 A、B、C 测试截面各测点检测结果 截面 A 截面 B 截面 C 截面 测点编号 A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 C1 C2 C3 C4 距桥面中 心线位置 （m） 3.0 1.5 -1.5 -3.0 3.0 1.5 -1.5 -3.0 3.0 1.5 -1.5 -3.0 1 级加载 0.35 0.26 -0.12 -0.32 -0.16 -0.05 -0.35 -0.71 0.19 0.67 -0.12 -0.20 2 级加载 1.31 0.82
9、-0.28 -1.00 1.34 0.81 -0.08 -0.90 0.70 0.94 -0.28 -0.68 3 级加载 1.72 0.95 -0.38 -1.32 2.60 1.65 0.32 -0.69 1.18 1.12 -0.35 -1.02 4 级加载 1.82 1.04 -0.49 -1.52 2.96 1.75 0.22 -1.00 1.69 1.37 -0.42 -1.28 5 级加载 1.84 1.04 -0.6 -1.78 2.87 1.77 0.09 -1.46 2.06 1.5 -0.47 -1.37 6 级加载 1.84 1.05 -0.68 -1.89 2.79
10、1.77 -0.11 -1.64 2.16 1.57 -0.57 -1.47 理论计算 最大值 2.81 1.33 -1.16 -2.54 3.89 2.31 -0.66 -2.21 2.77 1.69 -1.14 -2.50 卸载 -0.08 -0.19 -0.20 -0.26 0.02 0.10 0.01 -0.11 -0.04 0.53 -0.17 -0.23 主梁水平位移 B5 测点的检测结果见表 4.2。 表 4.2 主梁水平位移测试结果 分级 实测位移（mm） 理论计算最大位移（mm） 1 级 -0.33 -0.43 2 级 -0.23 3 级 -0.10 4 级 -0.12 5
11、级 -0.04 6 级 -0.03 卸载 0.01 相对残余 3% 最大水平位移校验系数 0.77 在逐级加载作用下，箱梁截面扭转变形较均匀。线性回归得到的中性轴的斜率逐级递增。表明箱梁在扭矩作用下呈弹性变形状态，没有出现大的突变。箱梁在最大加载扭矩的作用下，扭转变形的校验系数分别为 0.62、0.71、0.70，满足规范要求； 根据最大加载级数下的线性回归公式，计算得到 A、B、C 截面的实测扭转中心与理论计算中心相比，分别向曲线外侧偏移0.02m、0.16m、0.44m。表明结构整体有一定的抗扭转安全储备； 各测试截面的残余扭转变形分别为 4%、3%、11%，均小于规范规定的20%。表明箱
12、梁整体结构处于弹性受力状态，满足规范要求； 主梁在荷载作用下，最大水平位移校验系数为 0.77，相对残余变形3%，满足规范要求。 支座反力检测结果 0#墩、3#墩抗扭转支座支反力的理论计算结果见表 4.3。 表 4.3 抗扭支座支反力理论计算结果（单位：KN） 工况 0#墩支座 3#墩支座 0-1# 0-2# 3-1# 3-2# 自重+设计 -567 -1992 -530 -2027 自重+试验 -208 -1347 -143 -1309 自重 -507 -687 -494 -660 实验过程变化量 299 -660 351 -649 注：-为压力 由计算结果知 0#墩、3#墩的内侧 0-1#
13、、3-1#支座试验过程中支反力均减小，根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004） 中关于橡胶支座压缩变形的计算得到板式橡胶支座的脱空临界变形量为-0.45mm。实测 0#墩、3#墩支座变形量如表 4.4。 表 4.4 实测支座变形量（单位 mm） 加载级数 0#墩 3#墩 外侧支座 内侧支座 外侧支座 内侧支座 1 级 0.52 0.09 -0.01 0.02 2 级 0.63 0.09 0.02 -0.04 3 级 0.62 0.03 -0.07 -0.14 4 级 0.58 -0.01 -0.01 -0.17 5 级 0.59 -0.05 0.07 -0.22
14、 6 级 0.55 -0.10 0.23 -0.21 支座脱空临界变形量 -0.45 试验过程中支座处于受压工作状态，没有出现脱空现象。表明结构整体受力性能稳定。实际工作状态与设计相符。 墩柱检测结果 对 2#墩柱进行水平位移和竖向应力测试，检测结果见表 4.5。 表 4.5 2#墩柱的水平位移及竖向应变 分级 横向（mm） 纵向（mm） 横桥向（） 纵桥向（） 测点编号 1# 2# 1# 2# 3# 4# 1 级（2 辆车） -0.02 0.03 -18 -23 -5 -1 2 级（5 辆车） 0.02 0.01 -23 -41 -44 -19 3 级（7 辆车） -0.01 -0.02 -
15、29 -41 -50 -22 4 级（8 辆车） -0.01 -0.03 -20 -31 -59 -24 理论计算最大值 -0.03 -0.04 -83 -83 -82 -82 校验系数 0.33 0.86 0.24 0.38 0.72 0.29 在最大试验荷载作用下，墩柱水平位移的校验系数为 0.33、0.86，竖向应变的校验系数为 0.240.72，均满足规范要求。表明墩柱的刚度及承载能力满足设计要求。 主梁承载力检测结果 0#墩-1#墩跨中截面，1#墩-2#墩跨中截面的应变实测结果，见表4.6。 表 4.6 荷载作用下测试截面应变检测结果 测试面 0#墩-1#墩跨中 1#墩-2#墩跨中
16、加载级数 实测应变（） 实测应变（） 2 辆 41 -17 4 辆 36 -9 5 辆 26 15 6 辆 27 10 7 辆 28 -7 8 辆 28 -11 卸载 3 -5 箱梁在荷载作用下，实测数据的变化规律与理论计算值协调，实测数据在理论计算值的包络范围内。表明主梁结构的整体受力性能与设计受力性能相符。 综上所述，A 匝道桥的抗扭转承载能力满足设计要求。 5 试验结论 根据以上试验结果可知，A 匝道桥在试验荷载作用下，箱梁测试截面的实测扭转变形均小于相应的理论计算值；且箱梁测试截面的扭转变形均匀，表明箱梁整体受力性能良好，结构处于弹性工作状态，箱梁的截面抗扭刚度满足设计要求；实测的残余扭转变形满足规范的要求，反映该桥在扭矩作用下处于弹性工作状态；试验过程中支座未出现脱空，墩柱的刚度及承载能力满足设计要求，表明桥梁的整体受力性能良好。 6 结语 从最大偏心荷载工况下的分析结果可以看出，独柱墩桥梁满足现行公路桥梁规范中的汽车荷载的抗倾覆性能要求，但在超载、重车的作用
