独柱墩弯桥抗倾覆稳定性分析

宋庆瑞

（山西省公路局晋中分局，山西 晋中 030600）

0 引言

现浇连续箱梁桥整体性能好、抗扭刚度大，下部结构若配置独柱式桥墩，可使桥梁视觉通透、线条流畅、外形美观，而且节约占地、节省工程造价，因此独柱式连续箱梁桥被广泛采用。目前，在独柱墩桥梁计算时，往往只关注桥梁的抗弯能力和抗剪能力，忽视偏心偶然荷载的作用。我国载重车辆普遍存在超载现象，个别车辆超载甚至达到了200%～300%，这导致桥梁可能处于超负荷工作状态。在偏心偶然荷载作用下，独柱墩桥梁存在着较大的倾覆危险。国内已发生多起独柱式桥墩箱梁桥倾覆倒塌事故，产生了较坏的影响，造成了重大经济损失，独柱墩连续箱梁桥的抗倾覆稳定性问题日益突出。

由于现行规范中没有桥梁主梁抗倾覆的相关规定，故采用2012年的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（征求意见稿）中的相关规定。本文以某独柱墩连续箱梁弯桥为例，对其抗倾覆能力进行验算，评价其安全性能。

1 项目概况

某独柱墩连续箱梁弯桥，上部结构采用6～20m普通钢筋混凝土现浇箱梁，梁高1.3m，桥梁全长127m。桥梁按山岭重丘区二级公路标准（与路基同宽8.5m）设计，同时考虑本桥位于R—150m左偏曲线上，按规范路基在曲线内侧加宽1.0m，单向横坡。该桥设计荷载为汽车—20级，挂车—100，桥面宽度组合为净−8.734m+2×0.383m墙式护栏。0#桥台和6#桥台采用桩柱式桥台，上方为圆形板式橡胶支座，设置双支座，1#～5#桥墩为独柱式桥墩，设置单支座。

2 抗倾覆验算分析

箱梁桥倾覆是在汽车荷载的作用下，单向受压支座依次脱空，边界条件失效而失去平衡的过程。结构倾覆时，事前并无明显表征，其危害性极大。

采用整体式断面的中小跨径梁桥应进行上部结构抗倾覆验算。上部结构的抗倾覆稳定系数应满足下式的要求：

式中：γqf为抗倾覆稳定系数；Sbk为使上部结构倾覆的汽车荷载（含冲击作用）标准值效应；Ssk为使上部结构稳定的作用效应标准组合。

在作用标准值组合（汽车荷载考虑冲击作用）下，单向受压支座不应处于脱空状态。

（1）对于正交桥梁、斜交角30°以内的斜交桥梁，倾覆轴线为位于箱梁桥中心线同侧的桥台支座连线，箱梁桥的抗倾覆稳定系数为：

式中：qk为车道荷载中均布荷载；Pk为车道荷载中集中荷载；l为桥梁全长；e为横向最不利车道位置到倾覆轴线的垂直距离；μ为冲击系数；RGi为成桥状态时各个支座的支反力；Xi为各个支座到倾覆轴线的垂直距离。

（2）对于弯桥，当跨中桥墩全部支座位于桥台外侧支座连线内侧时，倾覆轴线为桥台外侧支座连线；当跨中桥墩全部支座位于桥台外侧支座连线外侧时，倾覆轴线取为一桥台外侧支座和跨中桥墩支座连线。

箱梁桥的抗倾覆稳定系数为：

式中：Ω为倾覆轴线与横向加载车道围成的面积；e为横向加载车道到倾覆轴线垂直距离的最大值。

综合结构倾覆不先于结构延性破坏、实际运营汽车荷载与设计汽车荷载的相互关系，确定箱梁桥的抗倾覆系数不应小于2.5。

分析箱梁桥的倾覆过程，桥台侧支座容易脱空，这是倾覆过程的开始，此时结构受力体系发生变化，因此，在作用标准值组合（汽车荷载考虑冲击作用）下不应出现支座脱空。

桥梁倾覆的前提条件是支座要脱空，通过检查支座在汽车荷载下是否脱空，来判断桥梁是否会倾覆。如果支座均未脱空，并且有很大富余量，则认为此桥不会倾覆。

3 模型计算

采用Midas Civil 2010对桥梁结构进行建模计算。

连续箱梁弯桥双支座模拟不同于普通桥梁边界条件的模拟。首先，在支座下端建立节点，并将所有的支座节点按固结约束，这是一种模拟实际情况的建模方法。然后，复制支座节点到梁底标高位置生成支座顶部节点，并将支座节点与复制生成的顶部节点用“弹性连接”中的“一般连接”进行连接，并按实际支座刚度定义一般弹性连接的刚度，相当于建立一个支座单元，其三个方向的刚度值则是由实际工程中支座的类型和尺寸提供。最后，建立支座顶部节点与主梁节点之间的联系。此时，利用“刚性连接”，以主梁节点作为主节点，支座顶部单元作为从节点，将其连接起来。这样将主梁节点与支座顶部节点形成一个受力的整体，目的是为了真实的模拟其受力状况。

主梁结构类型为普通钢筋混凝土结构，有限元计算时将结构离散为120个梁单元，如图1所示。

图1 独柱墩连续箱梁弯桥计算模型

计算中，混凝土自重去26kN/m3；二期恒载主要包括6cm厚混凝土桥面铺装及护栏，取15kN/m；汽车荷载采用汽车—20级车道荷载，按照车道偏载最不利的效应进行布置。根据桥梁抗倾覆的受力特点，本次验算考虑涉及恒载及混凝土收缩徐变产生的次内力，以及上述各工况汽车荷载产生的内力，不组合沉降、温度等荷载效应。

4 计算结果分析

本次验算共设置以下三种工况：

工况一：汽车—20级车道荷载；

工况二：1.2倍汽车—20级车道荷载；

工况三：1.4倍汽车—20级车道荷载。

成桥状况的支座恒载反力计算结果如图2所示。支座恒载支反力汇总表见图1。

图2 独柱墩连续箱梁弯桥支座反力图

表1 支座恒载支反力汇总表

由表1可知，该桥在成桥状况恒载作用下，各支座均未出现负反力，表明支座均未脱空，并且有较大富余量，认为此时桥梁不会倾覆。

各工况下支座最小反力，分别为各支座最不利状态下的最小支座反力。各工况作用下支座最小反力值如表2所示。

表2 支座最小支反力（单位：kN）

由表2可知，在工况一与工况二下，全桥支座均未出现负反力，表明支座均未脱空，并且有一定富余量，认为此时桥梁不会倾覆；在工况三下，0#桥台内侧支座及6#桥台内侧支座产生负反力，存在倾覆的可能性，需进一步计算进行验证。

各工况作用下支座最大反力如表3所示。查询相应支座的承载能力，对支座承载能力进行评定。

表3 支座承载力验算表

由表3可知，全桥所有支座均满足承载能力要求。

该桥基频为3.77Hz，根据公式μ=0.1767lnf-0.0157，计算得出冲击系数为0.219（见图3）。

图3 独柱墩连续箱梁弯桥频率计算图示

该桥倾覆轴线为6#桥台外侧支座与3#墩支座连线，如图4所示。

图4 独柱墩连续箱梁弯桥倾覆轴线图

（1）工况一

箱梁桥抗倾覆稳定系数：

（2）工况二

抗倾覆力矩不变，倾覆力矩相比工况一增大1.2倍，因此抗倾覆稳定系数为：

（3）工况三

抗倾覆力矩不变，倾覆力矩相比工况一增大1.4倍，因此抗倾覆稳定系数为：

各工况作用下桥梁倾覆系数如表4所示。

表4 各工况抗倾覆系数汇总表

5 结论

根据恒载和汽车荷载的计算结果，该桥支座在工况一和工况二均未产生负反力，不会发生支座脱空的现象。但在工况三的作用下，两个桥台部分支座在汽车荷载作用下出现负反力，应尽量避免该工况发生；支座承载力基本满足设计要求；出现负反力后，经过倾覆系数计算，倾覆系数均大于2.5，满足新规范征求意见稿的要求。通过对三个工况桥梁抗倾覆稳定性的验算可见，桥梁虽然能够满足抗倾覆稳定性的要求，但在超载重车的作用下则会出现支座脱空，给正常运营的独柱墩桥梁的安全性带来很大隐患。因此，应加强正在运营的独柱墩桥梁的检测和动态观察，制定有效的检测措施，确保其安全运营。

抗倾覆稳定性是独柱墩桥梁，尤其是独柱墩弯桥的一个重要技术指标，对其进行抗倾覆验算是必要的。当前无相关规范对桥梁的抗倾覆安全性进行评价，在独柱墩桥梁建设的实际工作中，设计者应该对桥梁建设进行全方位、多角度的考虑，提高结构的可靠度，保证桥梁安全，为车辆的安全通行创造良好条件。对于已修建好的桥梁，应加强对交通的组织和管理，考虑车辆通行对桥梁可能带来的不利影响，避免过度超载的车辆在桥上行驶，保证车辆的安全通行，保障桥梁结构的安全。

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