公路與城市道路橋梁抗傾覆設(shè)計

吳釗華 胡夢蝶

摘 要：橋梁在公路中具有不可替代的作用，通過對橋梁結(jié)構(gòu)進行抗傾覆設(shè)計，以保證橋梁的整體安全性和穩(wěn)定性，避免重大安全事故的發(fā)生。本文基于橋梁橫向傾覆失效的機理，分析抗傾覆性特征，并以依托工程實例進行抗傾覆設(shè)計，明確設(shè)計要點，以期為公路及城市道路橋梁的抗傾覆設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：公路與城市橋梁;橫向傾覆失效;抗傾覆設(shè)計

中圖分類號：U442.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 前言

目前，公路和城市道路橋梁的抗傾覆設(shè)計主要對抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)進行驗算，一般要求標(biāo)準(zhǔn)組合下抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)大于2.5，同時在基本組合下保證支座不出現(xiàn)負(fù)反力。實際上，公路橋梁的傾覆是一個連續(xù)發(fā)生的過程，從受力平衡到因為受力不均導(dǎo)致支座脫空，再到脫空嚴(yán)重、不平衡加劇傾覆。在此過程中其支承體系是不斷變化的，橋梁呈非線性復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，且梁體、支座及下部結(jié)構(gòu)間互相影響，有必要對抗傾覆機理進行進一步研究。

1 橋梁傾覆影響因素分析

（1）內(nèi)在因素的影響。以往設(shè)計中為減小橋下凈空，跨中常采用獨柱墩。若橋梁設(shè)計不合理，主要表現(xiàn)為橋梁橋面寬度過大而支座間距較小，則在極端偏心荷載作用下，易使橋梁發(fā)生橫向轉(zhuǎn)動，如圖1所示。對于曲線橋梁，受彎扭耦合效應(yīng)的作用，內(nèi)側(cè)支座容易出現(xiàn)脫空，導(dǎo)致橋梁橫向傾覆;對于直線橋梁，靠外側(cè)支座連線即為橋梁橫向傾覆軸，當(dāng)靠外側(cè)支座位置設(shè)計不合理時，則會影響橋梁抗傾覆的穩(wěn)定性。

（2）外在因素的影響。引發(fā)橋梁橫向傾覆的主要外在因素是車輛通行產(chǎn)生的荷載作用，若車輛長時間且大量集中在外側(cè)車道通行，則會增加橋梁傾覆風(fēng)險。據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，多輛超載重載車輛同時行駛于外側(cè)車道上是引發(fā)橋梁橫向傾覆倒塌的重要因素，比如哈爾濱陽明灘大橋和無錫高架橋傾覆坍塌，造成多人傷亡，給人民的生命安全帶來極大的危害。按照極端車輛超載進行設(shè)計是不合理、經(jīng)濟的，因此，加強超載車輛的排查也有助于降低橋梁傾覆事故的發(fā)生。

2 橋梁橫向傾覆機理

橋梁的傾覆破壞往往突然，破壞形式多樣且伴隨體系變化，事故后果嚴(yán)重。隨著偏心荷載的增加，單向支座脫空、箱梁梁體扭轉(zhuǎn)，支反力的重分配致使下部結(jié)構(gòu)偏心受壓顯著，水平反力明顯增大;當(dāng)扭轉(zhuǎn)角度進一步加大，短時間內(nèi)箱體發(fā)生滑移，同時支座及下部結(jié)構(gòu)破壞至結(jié)構(gòu)失效。考慮到不同結(jié)構(gòu)體系，本文對直橋和彎橋分別進行分析。

（1）直橋。直橋在傾覆發(fā)生時的變形是由橋梁垂直位移及整個橋梁轉(zhuǎn)動兩者疊加形成的，當(dāng)支座發(fā)生脫空后，必定引起橋梁的主梁產(chǎn)生垂直方向的彈性彎曲變形和整體的扭動，這種情況下整個梁體的扭角大小與橋的垂直變形是直接相關(guān)聯(lián)的。當(dāng)直橋的支撐座布置是按照里外兩側(cè)對稱進行時，橋的兩端未脫空的支撐座發(fā)生的位移小，在這種情況下邊支座點位置的橋梁界面中心，其垂直方向的位移是扭角與支座間距一半的乘積，脫空側(cè)支座的垂直位移是扭角與支座間距的乘積。在這種計算模式下變形、計算結(jié)果和圖形指示是無差別的。也就是說這種與受力平衡方式相同的變形模式是經(jīng)過幾何方式所協(xié)調(diào)的。

（2）彎橋。在傾覆過程中，彎橋中墩鉸接曲線獨柱支撐梁式橋的截面法線處于不同的方向，并且在變形協(xié)調(diào)方式上與直橋存在差異。在抵抗傾覆時，彎橋截面的抗扭剛度能夠使其作用得到相應(yīng)的發(fā)揮。橋梁整體傾覆破壞的出現(xiàn)是在邊支座脫空發(fā)生較長時間以后，主要作用在中墩上，其表現(xiàn)形式為支座轉(zhuǎn)角因為超越能力極限而遭到破壞。

3 公路與城市道路橋梁抗傾覆設(shè)計

（1）工程概況。某公路項目中的一座高架橋，主線為連續(xù)箱梁，跨度30 m，最大和最小橋?qū)挿謩e為20.5 m和13 m，匝道橋位于曲線段上，高架橋結(jié)構(gòu)如圖2所示。因該工程所在地對橋梁景觀的要求比較高，所以經(jīng)方案比選之后，最終主線橋與匝道橋全部采用大懸臂斜腹板箱梁和直立式啞鈴型實體薄壁墩。由于受到橋墩橫向?qū)挾鹊南拗疲又训罉蛭挥谇€之上，使得抗傾覆成為該橋梁設(shè)計的重點環(huán)節(jié)。應(yīng)當(dāng)在保證結(jié)構(gòu)安全性、經(jīng)濟性和美觀性的前提下，提出科學(xué)合理、切實可行的抗傾覆設(shè)計方案。

（2）設(shè)計思路。橋梁結(jié)構(gòu)抗傾覆設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)對相關(guān)尺寸進行初步擬定，如橋墩橫向?qū)挾?，需要重點考慮的因素包括橋?qū)捙c墩寬的協(xié)調(diào)性、箱梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性等。具體擬定的過程中，充分考慮對橫向抗傾覆不利的汽車荷載工況，進行有限元計算，分別計算出恒荷載作用下的穩(wěn)定效應(yīng)和汽車荷載作用下失穩(wěn)效應(yīng)，得到能夠滿足橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)超過2.5的橫向支點的最小間距，在此基礎(chǔ)上，以支座的布設(shè)空間為前提條件，對橋墩的最小橫向?qū)挾冗M行合理確定。

（3）抗傾覆計算。在本工程中，對橋梁結(jié)構(gòu)進行抗傾覆設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)對支座反力及上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)進行驗算，具體如下：

對于直線橋而言，其傾覆旋轉(zhuǎn)軸是所有外側(cè)支點在縱向上的連線，而曲線橋與直線橋則存在一定的差別，它的支點連線位于弧線之上。所以在設(shè)計計算時，需要找到最不利的傾覆旋轉(zhuǎn)軸。采用常規(guī)的方法對連續(xù)箱梁橋進行抗傾覆計算，步驟比較繁瑣，其實在旋轉(zhuǎn)線外弧側(cè)的橋面面積越大，橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆的可能性就越高。當(dāng)這個面積達(dá)到一定程度時，橋梁將會100%出現(xiàn)傾覆。由傾覆的實際過程可以獲悉其產(chǎn)生的原因，即向圓弧內(nèi)外兩側(cè)的扭矩出現(xiàn)明顯的差異。因此，可以在支座連線的中間位置處施加一個抗扭約束，并以支座連線作為坐標(biāo)系中的X軸，然后依托雙重荷載下的扭矩，便可快速計算出橋梁結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩，這樣便能夠獲得穩(wěn)定系數(shù)，據(jù)此對橋梁結(jié)構(gòu)進行抗傾覆設(shè)計。

依據(jù)計算結(jié)果可知，本工程橋梁結(jié)構(gòu)在直線段上的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)取值范圍為不小于2.5;在曲線段上，取值范圍不宜低于4.0，這個取值范圍能夠滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求，從而確保橋梁結(jié)構(gòu)的整體安全性。

（4）抗傾覆設(shè)計體會。1）對于橋梁結(jié)構(gòu)而言，影響抗傾覆和各個支點反力的主要因素為支點本身的橫向間隔距離。通過本次抗傾覆設(shè)計，在計算中發(fā)現(xiàn)，支點間橫向距離的增加將有益于抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的提高。鑒于此，在公路橋梁抗傾覆設(shè)計中，可以采用以下墩柱形式來拉開各個支點之間的橫向距離：T型墩柱、Y型墩柱、門式墩以及雙柱墩等。 2）當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)的橫向間距受到限制，此時產(chǎn)生的反力可能為負(fù)值，即負(fù)反力。針對該情況，在進行抗傾覆設(shè)計時，連續(xù)墩柱可以采用設(shè)置偏心獨立支座的方法。如果是柔性結(jié)構(gòu)的連續(xù)高墩，那么可以采用墩與梁體相互固結(jié)的方式，并在過渡段設(shè)置拉力支座。 3）通常情況下，箱梁內(nèi)側(cè)與外側(cè)的反力應(yīng)當(dāng)保持均勻一致，但是曲線半徑會對箱梁反力產(chǎn)生一定的影響，從而導(dǎo)致內(nèi)外側(cè)的反力不均勻，由此會增大箱梁向外弧側(cè)傾覆的可能性。因此，支點應(yīng)當(dāng)向外側(cè)設(shè)置偏心，以反力均衡作為原則，在充分考慮偏心彎矩的基礎(chǔ)上，對預(yù)應(yīng)力鋼束進行合理布設(shè)。4）在對彎橋進行抗傾覆設(shè)計時，應(yīng)適當(dāng)加大容易出現(xiàn)負(fù)反力墩臺側(cè)的跨徑，增加其恒荷載，也可以減小相鄰跨徑，以防負(fù)反力的出現(xiàn)。5）在橋梁結(jié)構(gòu)中，盆式支座具有橫向約束作用。因此，在抗傾覆設(shè)計計算時，應(yīng)充分考慮支座允許的橫向變形（正常為3.0 mm～4.0 mm），通過對這個位移的合理釋放，能夠減少橫向反力。如果支點的橫向反力超過豎向反力10%以上，那么應(yīng)當(dāng)隔墩設(shè)置盆式支座。

4 結(jié)束語

綜上所述，公路橋梁工程中，抗傾覆設(shè)計既是重點也是難點，為避免橋梁發(fā)生傾覆失效的問題，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)掌握抗傾覆設(shè)計，并結(jié)合實際工程，對橋梁結(jié)構(gòu)抗傾覆進行合理設(shè)計，保證橋梁的安全性與穩(wěn)定性。

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