某独柱墩桥梁抗倾覆验算

岳星宝 周嫚

摘要：针对近年来多座独柱墩桥梁的倾覆事故，从桥梁结构受力分析上，先确定倾覆轴线，再根据倾覆轴线计算出倾覆扭矩及抗倾覆扭矩，判断其稳定性能。通过实例演示了独柱墩桥梁的抗倾覆验算过程，并提出验算55t重载车队列密集偏载于同一侧的最不利工况。

关键词：独柱墩 抗倾覆 验算方法

引言：为了减少与地面空间的冲突，或在多层跨越区域中空间受限时，独柱墩桥梁被广泛采用。但是，近年来，国内独柱墩桥梁连续发生桥梁倾覆事件。以下列举几个典型案例。

2012年8月24日，通车不到一年的哈尔滨阳明滩大桥发生坍塌，4辆货车坠桥，造成3人死亡，5人受伤。经调查，4辆挂车总重量超过400吨，并且偏载行驶。而坍塌桥联为120m长钢混组合梁，独柱墩，桥梁自重较小，在超重的偏载作用下，出现侧翻事故。

2015年6月19日，4辆满载瓷土的重载货车并排行驶在粤赣高速城南互通CK0+224.5匝道桥梁时，发生桥梁断裂，事件造成该匝道桥从南往北坍塌，4辆重载货车掉落桥下，当场造成1人死亡、4人受伤。垮塌桥梁长度为75米，宽度为8.5米，桥梁净高约为11.75米，设计荷载为汽车-超20级，建成年月为2004年1月。上部结构为预应力砼连续箱梁，该桥技术状况等级评定为一类桥。经调查，4辆挂车重量约400吨，坍塌桥联独柱墩，在超重的偏载作用下，出现垮塌事故。

对于独柱墩桥梁，汽车偏载所产生的扭转作用大部分传递到双支座墩台，所有中间孔的扭矩最终累积到梁端的双支座上。较大的扭矩将使另一侧的端支座产生上拔力，如没有特殊措施，将使支座脱空，继而发生倾覆事故。

所以，对于目前独柱墩桥梁来说，目前我国桥涵设计规范对此的验算要求不够明确和具体，探索科学可行的方法，对其进行抗倾覆验算，有着巨大的社会价值。以下通过实例阐述验算方法。

一、某桥概况

某桥跨径组合为（24 +25+25+24）m，预应力混凝土连续箱梁，单箱单室截面；下部结构采用圆柱墩、桩柱埋置式桥台；支座采用板式橡胶支座；桥面设置4cm沥青混凝土。设计荷载为汽车-超20级，挂车-120。于2000年建成通车。

二、抗倾覆验算

（一）验算方法

箱梁桥倾覆过程是在汽车荷载的倾覆作用下，单向受压支座依次脫空，由边界条件失效而失去平衡的过程。因此，首先需要确定倾覆轴线，再根据倾覆轴线计算出倾覆扭矩及抗倾覆扭矩，则可判断其稳定性能，这里，倾覆扭矩为活载与其至倾覆轴线的乘积，抗倾覆扭矩为恒载作用下各支座反力与其至倾覆轴线的乘积之和。

由于该桥原设计采用中交85系列规范，而目前运营荷载为中交04系列规范，故验算同时采用中交85及中交04系列规范。并且，由于目前实际交通中重载车较多，抗倾覆验算考虑《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60- 2004）规定的55t（限载55t）重载车组成的密集排列车队，前后车间距按0.5m考虑。

（二）中交85系列规范设计荷载作用下抗倾覆计算

1.抗倾覆轴线的确定

2.抗倾覆计算结果

箱梁抗倾覆安全系数为

式中：--成桥状态恒载作用下支座反力。

--支座距倾覆轴的垂直距离。

μ--冲击系数。

--倾覆轴线与横向加载车道围成的面积。

35.5--将汽超-20车辆荷载换算成车道均布荷载。

--荷载组合作用下各支座反力。

计算采用桥梁专用空间有限元分析软件midas Civil2014，精确模拟桥梁结构尺寸、支座位置、预应力设置、活载布置等，计算出支反力。

表1 K值计算结果表

恒载支座反力（KN） 距倾覆轴距离（m） S（m2） μ 安全系数K 限值

3# 915 D1 4 205.8 0 4.3 1.3

4# 3990 D2 2

5# 3900 D3 2

6# 3990 D4 2

7# 915 D5 4

表2 荷载组合作用下支反力计算结果表

墩台号 荷载组合 支座反力（KN）

最大弯矩 最小弯矩 最大剪力 最小剪力

3# 组合I 1830 1830 2890 1670

4# 3990 3990 5630 3650

5# 3900 3900 5560 3460

6# 3990 3990 5630 3650

7# 1830 1830 2890 1670

3# 组合II 1830 1830 3050 1510

4# 3990 3990 5830 3450

5# 3900 3900 5660 3370

6# 3990 3990 5830 3450

7# 1830 1830 3050 1510

3# 组合III 1830 1830 2930 1680

4# 3990 3990 5330 3680

5# 3900 3900 5280 3520

6# 3990 3990 5330 3680

7# 1830 1830 2930 1680

由表1、表2可知，该桥抗倾覆安全系数大于限值，支座未出现负反力状况，所以，在设计荷载汽车-超20作用下不会出现倾覆失稳。

（三）中交04系列规范设计荷载作用下抗倾覆计算

1.抗倾覆轴线的确定

2.抗倾覆计算结果

箱梁抗倾覆安全系数为

式中： e--横向家在车道到倾覆轴线垂直距离最大值。

表3 K值计算结果表

恒载支座反力（KN） 距倾覆轴距离（m） S（m2） μ e（m） 安全系数K 限值

3# 910 D1 4 205.8 0.229 2.1 9.2 1.3

4# 3920 D2 2

5# 3870 D3 2

6# 3920 D4 2

7# 910 D5 4

表4 荷载组合作用下支反力计算结果表

墩台号 荷载组合 支座反力（KN）

最大弯矩 最小弯矩 最大剪力 最小剪力

3# 标准组合 1820 1820 2460 1650

4# 3920 3920 4860 3510

5# 3870 3870 4830 3500

6# 3920 3920 4860 3510

7# 1820 1820 2460 1650

由表3、表4可知，该桥在公路-Ⅰ级荷载作用下不会出现倾覆失稳。

（四）55T重车作用下抗倾覆计算

A、抗傾覆轴线的确定

B、抗倾覆计算结果

箱梁抗倾覆安全系数为

表5 K值计算结果表

恒载支座反力（KN） 距倾覆轴距离（m） S（m2） μ 安全系数 限值

3# 910 D1 4 205.8 0.229 3.4 1.3

4# 3920 D2 2

5# 3870 D3 2

6# 3920 D4 2

7# 910 D5 4

表6 荷载组合作用下支反力计算结果表

墩台号 荷载组合 支座反力（KN）

最大弯矩 最小弯矩 最大剪力 最小剪力

3# 标准组合 1820 1820 2460 1650

4# 3920 3920 4770 3510

5# 3870 3870 4740 3520

6# 3920 3920 4770 3510

7# 1820 1820 2460 1650

由表5、表6可知，该桥在55T重车作用下不会出现倾覆失稳。

结语：本文通过实例演示了独柱墩桥梁的抗倾覆验算过程，该方法验算结果较为安全可靠，并具有较好的可操作性，实用性强。55t重载车队列模拟了现实中重载车密集偏载于同一侧的最不利工况，具有良好的安全性和现实意义。

该抗倾覆稳定安全验算方法可保证在正常交通运营状况下桥梁不会出现倾覆失稳问题。

参考文献：

[1]JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范[S]

[2]JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S]