公路与城市道路桥梁抗倾覆设计

公路与城市道路桥梁抗倾覆设计

何京洪

北京建达道桥咨询有限公司，北京 100000

摘要：在公路和城市道路工程中，桥梁是较为重要的组成部分之一，桥梁主要由下部墩柱基础和上部梁体构成。为确保桥梁结构的安全性和稳定性，应当在桥梁工程建设中，对抗倾覆设计予以重点考虑，并对抗倾覆稳定性系数进行合理取值。下面本文就对此展开探讨。

关键词：公路；城市道路；抗倾覆设计；

1 桥梁横向倾覆失效的机理

1.1 内在因素的影响

桥梁设计重视竖向平面内抗弯和抗剪性能设计，经常忽视桥梁横向稳定性问题，使得桥梁设计出现构造不合理。受桥梁本身构造不合理的内在因素影响，若桥梁长期受到极端荷载的作用，则会使桥梁发生横向转动。桥梁抗倾覆设计重点为桥梁是否为独柱墩型设计，以及端支座的位置设计。对于独柱墩桥梁而言，桥梁横向支撑位置设计不当，主要表现为桥梁桥面宽度过大造成横向倾覆失效。如，曲线桥梁受弯扭耦合效应的作用，内侧支座容易出现脱空，导致桥梁横向倾覆；直线桥梁最外侧支座连线即为桥梁横向倾覆轴，当最外侧支座位置设计不合理时，则会影响桥梁抗倾覆的稳定性。

1.2 外在因素的影响

根据以往桥梁倾覆倒塌资料统计，其倾覆的主要原因是；多辆超载重载车辆同时行驶于外侧车道上，可见，多辆、超载、同一时间段为主导因素。例如：哈尔滨市及无锡市等类似的高架桥倾覆坍塌事件，不仅带来了严重的经济损失，而且带来了很大的伤亡，教训深刻。桥梁倾覆系数是抵抗弯矩与倾覆弯矩之比，其中抵抗弯矩是梁体恒载作用下对倾覆轴的稳定力矩，倾覆弯矩是在活荷载作用下引起倾覆的弯矩和。在抗倾覆设计中，按规范规定，在结构体系不发生改变的前提下，同时满足支座不脱空和桥梁倾覆系数不小于 2.5。

2 桥梁倾覆背景及相关理论分析

2.1 桥梁倾覆背景

现阶段，箱梁结构广泛应用于国内外市政高架、立交枢纽、公路互通匝道等结构。为满足通行要求，桥下受限时，常采用独柱式桥墩结构，减少占地空间，自 2007 年以来，桥梁倾覆事件时有发生。

事件一：发生在内蒙古包头市的一起高架桥倾覆事件，事发起因，2007 年 10 月 23 日在该桥偏载通行的超载100t 的三辆车，引发倾覆事件，经过调查，此桥梁的结构符合设计标准，结构为下部为小间距双支座＋花瓶墩，是货车严重超载所引发的主梁绕中心轴一侧支座倾覆；事件二：2009年天津津晋高速港塘收费站 800m 外匝道桥坍塌事故，该匝道桥上部结构为17.5m＋22m＋22m＋17.5m 钢筋混凝土结构连续箱梁，事件发生后，经过相关部分核查，通过此路段的5辆载货车的3辆车属于严重超载，每辆载货车的重量约为140t，属于重车偏载通行，而掉落桥下的桥面则基本完好；事件三：2010年南京内环南延项目倾覆事件，经过调查，此事件不仅造成桥梁倾覆，而且人员伤亡重大，此事件发生主要因现场操作人员没有严格按照施工工序操作引发的，该桥梁为上部结构为简支钢箱梁，桥梁下部结构为小间距双支座；事件四：粤赣高速广州往河源方向城南出口匝道桥坍塌事故，该桥上部结构为 3m×25m 预应力混凝土结构连续梁桥，下部结构为单支座＋独柱墩，通过相关部门的现场核查，事件起因也是超截 120t的三辆卡车偏载通行引发的，主梁坠落后，也是保持着完好的状态。从以上倾覆桥梁的结构型式和倾覆发生时车辆统计可以发现，这些桥梁在结构类型、事故原因和破坏特征基本相同，桥梁结构型式主要为箱型截面，支承体系主要为单支座或小间距双支座，事故原因是因为偏心荷载作用，以上几种原因导致倾覆事件的发生。

2.2 梁桥弯扭耦合理论

弯扭耦合现象使得曲线梁桥在桥梁的内外梁的受力模式以及结构响应存在较大的差异，曲线梁桥的弯扭耦合作用符合拉索夫微分方程，该微分方程如式(1) 、式(2) 、式(3) 所示，基于上述理论曲线梁桥具有以下特征: 桥的内外侧梁产生变形，同时，内外不一致; 曲线梁桥受到轴向力; 车辆在曲线梁桥上行驶将会产生一定的离心力; 曲线梁桥内外侧梁受力非均匀分布。

（1）

（2）

（3）

式中: E、G 分别为弹性模量和剪切模量; I_x、I_y分别表示绕 x、y 轴的惯性矩; I_d、I_w分别为 z 轴的惯性矩和弯梁截面的扇形惯性矩。

2.3 桥梁横向抗倾覆验算方法

规范中规定箱梁横向倾覆系数的计算方法如式(4) ～ 式(6) 所示:

（4）

（5）

（6）

式中: γ_qf表示桥梁横向抗倾覆稳定系数; S_sk表示使桥梁上部结构横向倾覆的移动载荷标准值效应; S_bk表示使得桥梁上部结构稳定的作用效应标准组合。

3 公路与城市道路桥梁抗倾覆设计方法

3.1 工程概况

某公路项目中的一座高架桥，主线为连续箱梁，跨度30m，最大和最小桥宽分别为 20.5m 和 13m，匝道桥位于曲线段上。因该工程所在地对桥梁景观的要求比较高，所以经方案比选之后，最终主线桥与匝道桥全部采用大悬臂斜腹板箱梁和直立式哑铃型实体薄壁墩。由于受到桥墩横向宽度的限制，加之匝道桥位于曲线之上，使得抗倾覆成为该桥梁设计的重点环节。应当在保证结构安全性、经济性和美观性的前提下，提出科学合理、切实可行的抗倾覆设计方案。

3.2 设计思路

桥梁结构抗倾覆设计中，应当对相关尺寸进行初步拟定，如桥墩横向宽度，需要重点考虑的因素包括桥宽与墩宽的协调性、箱梁横向抗倾覆稳定性等。具体拟定的过程中，充分考虑对横向抗倾覆不利的汽车荷载工况，进行有限元计算，分别计算出恒荷载作用下的稳定效应和汽车荷载作用下失稳效应，得到能够满足横向抗倾覆稳定系数超过 2.5 的横向支点的最小间距，在此基础上，以支座的布设空间为前提条件，对桥墩的最小横向宽度进行合理确定。

3.3 抗倾覆计算

在本项目中，应当对支座反力及上部结构的抗倾覆稳定系数进行验算，具体如下：对于直线桥而言，其倾覆旋转轴是所有外侧支点在纵向上的连线，而曲线桥与直线桥则存在一定的差别，它的支点连线位于弧线之上。所以在设计计算时，需要找到最不利的倾覆旋转轴。采用常规的方法对连续箱梁桥进行抗倾覆计算，步骤比较繁琐，其实在旋转线外弧侧的桥面面积越大，在外力的作用就会更大，发生倾覆事件的几率就会更高。当这个面积达到一定程度时，桥梁将会 100%出现倾覆。基于以上原理，按照本工程支座的布设详情，可以确定最容易发生倾覆的连线是 13# 墩柱的外侧支座到 14# 墩柱外侧支座的连线，如图 1 所示。

图 1 最不利倾覆轴线

当箱梁处于即将倾覆的阶段时，只有 13# 和 14# 桥墩的外侧支座受力，此时的计算模型仅对这两个支座进行保存即可。由倾覆的实际过程可以获悉其产生的原因，即向圆弧内外两侧的扭矩出现明显的差异。因此，可以在支座连线的中间位置处施加一个抗扭约束，并以支座连线作为坐标系中的 X 轴，然后依托双重荷载下的扭矩，这样就能很快算出桥梁结构的抗倾覆力矩，得到稳定系数，据此对桥梁结构进行抗倾覆设计。依据计算结果可知，本项目结构在直线段上的抗倾覆稳定系数取值范围为不小于 2.5；在曲线段上，取值范围为 4.0-15.0，这个取值范围能够满足抗倾覆稳定性要求，从而确保桥梁结构的整体安全性。

3.4 抗倾覆设计体会

（1）对于桥梁结构而言，影响抗倾覆和各个支点反力的主要因素为支点本身的横向间隔距离。通过本次抗倾覆设计，在计算中发现，每个支点只会对自身的反力产生较大的影响，但却并不会影响到其它的支点反力。鉴于此，在公路桥梁抗倾覆设计中，可以采用以下墩柱形式来拉开各个支点之间的横向距离：T 型墩柱、Y 型墩柱、门式墩以及双柱墩等。（2）当桥梁结构的横向间距受到限制，此时产生的反力可能为负值，即负反力。针对该情况，在进行抗倾覆设计时，连续墩柱可以采用设置偏心独立支座的方法。如果是柔性结构的连续高墩，那么可以采用墩与梁体相互固结的方式，并在过渡段设置拉力支座。（3）通常情况下，箱梁内侧与外侧的反力应当保持均匀一致，但是曲线半径会对箱梁反力产生一定的影响，从而导致内外侧的反力不均匀，由此会增大箱梁向外弧侧倾覆的可能性。因此，支点应当向外侧设置偏心，以反力均衡作为原则，在充分考虑偏心弯矩的基础上，对预应力钢束进行合理布设。（4）曲线半径对桥梁跨径与边中跨的影响要远远超过对支点反力的影响，所以必须在抗倾覆设计中加以重视。通常情况下，恒荷载的反力储备比较多时，负反力出现的可能性非常小，即便有反力出现也都是正反力。故此，在对桥梁结构进行抗倾覆设计时，应适当加大容易出现负反力墩台侧的跨径，也可以减小相邻跨径，借此来增加墩台的恒荷载储备，避免发生倾覆。（5）超偏载作用下支座抗倾覆系数对比各曲线梁桥支座抗倾覆系数对比见图2 所示，分析可知: 当曲线半径小于 500m 的时候，曲线半径的变化所引起的横向抗倾覆系数的变化较小，几乎可以忽略不计; 当曲线半径接近于无穷(直线梁桥)的时候，12#支座横向抗倾覆系数可提升158.64%，15#支座横向抗倾覆系数可提升257.4%，13#支座横向抗倾覆系数可提升 293.33% ，14#支座横向抗倾覆系数可提升137.11%;对于曲线梁桥桥台支座抗倾覆系数更高，对于曲线半径接近于无穷(直线梁桥)桥墩支座抗倾覆系数更好。

图 2 支座抗倾覆系数对比

（6）在桥梁结构中，盆式支座具有横向约束作用。因此，在抗倾覆设计计算时，应充分考虑支座允许的横向变形（正常为 3.0-4.0mm），通过对这个位移的合理释放，能够减少横向反力。如果支点的横向反力超过竖向反力 10%以上，那么应当隔墩设置盆式支座。

结束语

综上所述，在桥梁通车运营使用过程中由于超偏载、设计不当、使用期间不确定因素等易出现问题。因此，在今后的设计过程中，针对公路桥梁工程中，抗倾覆设计既是重点也是难点，为避免桥梁发生倾覆失效的问题，设计人员应当掌握抗倾覆设计方法，通过结合多年的桥梁倾覆事件的研究，找出有效桥梁抗倾覆设计方案，根据现场实际工程，对桥梁结构抗倾覆进行合理设计，保证桥梁的安全性与稳定性。

参考文献：

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