公路与城市道路桥梁抗倾覆设计

发表时间：2020-12-16T02:59:16.028Z 来源：《防护工程》2020年26期 作者： 董淼 张修庆

[导读] 随着经济和交通行业的快速发展，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。

董淼身份证号码： 32032219840605xxxx；张修庆身份证号码：37292819780416xxxx

摘要：随着经济和交通行业的快速发展，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。

关键词：公路；桥梁；抗倾覆设计 引言

随着经济和科技水平的快速发展，箱梁的横向抗倾覆设计，在条件允许的情况下应该尽量拉大支座间距，该做法对提高桥梁抗倾覆稳定性安全系数效果明显。由于单支座处无法提供稳定效应力矩，应该避免使用单支座，若受制于外部条件影响，必须采用单支座时，建议采用墩梁固结的结构形式。 1桥梁横向倾覆失效的机理

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，如图1所示。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。当桥梁宽度一定时，桥梁边中跨比、曲线半径、支座间距等因素会影响桥梁的抗倾覆性能。桥梁抗倾覆计算中控制横向倾覆稳定的最重要因素就是支座间距，对于大跨度钢箱梁，支座间距更是影响横向抗倾覆稳定计算的关键因素。笔者仅对支座间距对大跨度钢箱梁横向抗倾覆稳定的影响进行研究。该项目虽然受桥下中央分隔带宽度限制，支座间距取用5.6m，但可以假定支座间距为9.0m和4.0m的情况，对上述3种跨度的钢箱梁分别进行公路-Ⅰ级车道荷载、55t重车车队、70t重车车队加载，计算其在公路-Ⅰ级车道荷载和重车车队荷载下的失稳效应，通过对比，了解支座间距对于大跨度钢箱梁抗倾覆设计的影响程度，用以指导大跨度钢箱梁抗倾覆设计支座间距的取用和抗倾覆稳定性安全系数的控制。

图1桥梁结构横向倾覆示意图 2公路与城市道路桥梁抗倾覆设计方法 2.1桥梁抗倾覆加固方案

基于理论及实例分析验算，为确保箱梁整体结构稳定安全，可采取以下方案对建成桥梁进行加固设计：方案一：中墩放弃原有单支座，改设双支座。边墩处加大支座间距，复核支反力计算，保证在极端不利的工况下支座不出现负反力，保证两侧支座均处于受压状态，上部梁体横向分析保持稳定状态。方案二：对整联梁体进行顶升施工，将普通受压支座更换成拉压支座，但混凝土梁桥更换支座难度较大，在钢结构桥梁中适用范围更广。方案三：设置梁体抗拔钢筋，几乎不影响结构原有受力模式，但施工复杂，难度大，需破除桥面铺装、封闭交通，仅在所需拉力较小的情况下适用。 2.2桥梁抗倾覆设计计算

采用有限元计算软件桥梁博士V4.2建立空间模型，钢箱梁截面考虑纵向加劲肋，横隔板自重采用线性荷载模拟。因跨径大、半径小，经试算，仅采用设置支座横向偏心或者配重法抗倾覆计算均不满足规范要求，本次设计考虑多种抗倾覆措施结合设计，在桥梁端横梁处设置20cm向外横向偏心并采用钢渣混凝土配重，钢渣混凝土容重按照40kN/m3考虑，2个中墩与钢箱梁固接，形成刚构体系。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，便可快速计算出桥梁结构的抗倾覆力矩，这样便能够获得稳定系数，据此对桥梁结构进行抗倾覆设计。

依据计算结果可知，本工程桥梁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。 2.3桥梁抗倾覆防控设计

影响上部箱梁横向稳定性能的因素包括：同一桥墩上布设的支座数量、双、三支座横向间距、道路平曲线转弯半径、整联梁体抗扭跨径、整联梁体边中跨比等。新建桥梁的抗倾覆设计可从调整中墩支座受力体系、提高整体横向稳定性富余和设置额外约束三个方面考虑：中墩单支座体系的桥墩可加固为墩梁固结，但改变了上部梁体结构的约束条件，仅适用于高墩等柔性墩，需保证墩柱结构配筋以满足规范中的强度、裂缝验算；加大端支点处双支座间的距离，中墩单支座可加固为多支座，上部梁体结构的约束条件保持不变，可以显著提升梁体的抗倾覆性能，缺点是会影响桥梁下方已经规划好的预留空间，需保证墩柱对应的上部横梁结构配筋满足规范中的强度、裂缝验算；在端支点处设置额外横向限位、防转动装置，提供额外约束让梁体保持稳定，在梁体有倾覆危险的时候保证不发生落梁的恶劣事件。 2.4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。 结语

倾覆现象可以简单的概述为，桥梁上部箱梁在极端活载偏心荷载的作用下，产生的偏载效应值大于结构自身的恒载效应值，上部箱梁将绕某侧支点发生转动，进而导致倾覆失稳的状况。支座脱空是箱梁发生倾覆的第一步工况，支座出现竖向力为零、失效后，梁体转动导致另一侧支座失去对扭转变形的约束。控制倾覆风险时一方面要预留支座压力储备保证不发生脱空，另一方面要控制箱梁保持结构稳定。采用端横梁双支座、跨中单支座的支承体系，事故原因为重载车辆偏心荷载作用，倾覆发生前无明显预兆，具有很强的隐蔽性，事故发生后上部主体结构基本保持完好。

参考文献：

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