獨(dú)柱墩橋梁橫向傾覆穩(wěn)定性及防控問題分析

劉敏

（云南云嶺高速公路工程咨詢有限公司，云南昆明 650041）

0 引言

獨(dú)柱墩橋梁具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、占地較少、線條流暢、視野開闊和視覺美觀等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此得到工程設(shè)計(jì)人員的青睞，被廣泛應(yīng)用在公路和城市道路的橋梁工程中。近年來，在獨(dú)柱墩橋梁使用過程中，車輛偏載可能引發(fā)橫向傾覆倒塌事故，其屬于瞬間破壞，且發(fā)生傾覆前不會(huì)有明顯征兆，因此危害性極大，一旦發(fā)生將會(huì)帶來嚴(yán)重的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響。因此，技術(shù)人員應(yīng)從技術(shù)角度出發(fā)，對(duì)橋梁傾覆機(jī)理進(jìn)行細(xì)致的分析研究，找出影響?yīng)氈諛蛄簷M向穩(wěn)定性的因素，并制訂相應(yīng)的防控措施，以防止獨(dú)柱墩橋梁發(fā)生橫向傾覆事故。

1 獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆驗(yàn)算要求

在過去一段時(shí)間內(nèi)，在獨(dú)柱墩橋梁設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員將關(guān)注的重點(diǎn)放在了橋梁結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪承載能力以及正常使用抗裂驗(yàn)算方面，對(duì)偶然偏心荷載作用下橋梁的抗傾覆問題研究不夠深入。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2004），公路橋涵的持久狀態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)的要求，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行承載力及穩(wěn)定性計(jì)算，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)傾覆和滑移驗(yàn)算。我國高架橋公路修建起步較晚，在高架橋公路建設(shè)上的認(rèn)知和經(jīng)驗(yàn)積累存在不足，有資料可查的最早高架橋公路是1987年9 月20 日落成的廣州人民路高架橋。2004 版《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算方面沒有給出明確的驗(yàn)算內(nèi)容及驗(yàn)算方法，只給出了概念性的要求，使得該項(xiàng)驗(yàn)算工作基本處于空白狀態(tài)。

隨著國家經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展，不同城市之間的商品貨物運(yùn)輸量越來越大，公路橋梁中通行的大件運(yùn)輸重載車輛越來越多，偏離橋梁軸線行駛的重車也隨之增加。加之早期建設(shè)的獨(dú)柱墩橋梁在設(shè)計(jì)階段未考慮橫向抗傾覆問題，在以上多重因素的影響下，容易出現(xiàn)獨(dú)柱墩橋梁傾覆事故。為避免此類問題，2018 年頒布實(shí)施的《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）對(duì)獨(dú)柱墩橋梁設(shè)計(jì)驗(yàn)算作出了更細(xì)致的規(guī)定，大大提高冗余設(shè)計(jì)量[1]。

2 獨(dú)柱墩橋梁傾覆特點(diǎn)及機(jī)理

通過近些年發(fā)生的獨(dú)柱墩橋梁傾覆事故現(xiàn)場來看，發(fā)生獨(dú)柱墩橋梁傾覆事故的橋梁幾乎有著相同或者類似的特征：其一，整體式箱形截面，聯(lián)端箱梁底橫向設(shè)置雙支座，但聯(lián)中箱梁底僅設(shè)置單支座；其二，大多為直線橋或者平曲線半徑較大的橋梁；其三，傾覆原因?yàn)槠暮奢d作用，或結(jié)構(gòu)支承體系失效，或者兩者共同作用，其中重載車輛的偏載作用尤為突出；其四，大多是長橋，且采用獨(dú)柱墩單支點(diǎn)設(shè)計(jì)；其五，箱梁梁體發(fā)生橫向傾覆側(cè)翻時(shí)，梁體和墩臺(tái)本身無結(jié)構(gòu)性破壞，沒有因梁體本身強(qiáng)度不足而產(chǎn)生扭斷或彎斷現(xiàn)象。

根據(jù)上述傾覆特點(diǎn)，結(jié)合結(jié)構(gòu)受力特征分析，總結(jié)得出橫向傾覆機(jī)理：

首先，箱梁體結(jié)構(gòu)在車輛的荷載作用下產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形相互耦合，箱梁底各支座反力發(fā)生重分布。

其次，同一墩臺(tái)上的一對(duì)橫向雙支座對(duì)箱梁產(chǎn)生扭矩和扭轉(zhuǎn)角的雙重約束作用，當(dāng)車輛的偏心荷載作用達(dá)到一定程度時(shí)，遠(yuǎn)離傾覆軸的單向受壓支座發(fā)生脫空而失去扭轉(zhuǎn)角約束作用，另一個(gè)支座對(duì)箱梁僅產(chǎn)生扭矩約束作用，支座對(duì)箱梁形成的約束體系類型發(fā)生質(zhì)變，導(dǎo)致梁體繞傾軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。

最后，當(dāng)車輛偏心荷載作用達(dá)到一定程度時(shí)，箱梁體扭轉(zhuǎn)變形角度值增大，發(fā)展到一定程度時(shí)，梁底支座發(fā)生破壞，梁體側(cè)向滑移，導(dǎo)致箱梁傾覆失穩(wěn)[2]。

3 影響箱梁抗傾覆性能的因素

影響箱梁抗傾覆性能的因素最主要有平曲線半徑、支座橫向間距、抗扭跨徑、上部結(jié)構(gòu)自重。

3.1 平曲線半徑的影響

隨著平曲線半徑的增大，獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性會(huì)提高。因此，曲線半徑越小對(duì)橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的影響越明顯，平曲線半徑減小時(shí)，箱梁的彎扭耦合效應(yīng)會(huì)增大，導(dǎo)致橋梁的抗傾覆能力較弱。但是當(dāng)平曲線半徑增大到一定程度后，平曲線半徑對(duì)橋梁抗傾覆穩(wěn)定性也不再產(chǎn)生明顯影響[3]。

3.2 支座橫向間距的影響

橋梁支座的橫向間距影響支座反力的傾覆力臂長度，進(jìn)而影響箱梁的抗傾覆能力。橋梁的外側(cè)支座間距越小，橋梁懸臂部分上方偏心荷載產(chǎn)生的傾覆力矩越大，內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)脫空的可能性越高，橋梁橫向抗傾覆能力越弱。

3.3 抗扭跨徑的影響

橫向單支座僅能對(duì)主梁形成扭矩約束，橫向雙支座能對(duì)主梁形成扭矩和扭轉(zhuǎn)角雙重約束。在箱梁跨中設(shè)置雙支座時(shí)，會(huì)形成新的抗扭支承，減小抗扭跨徑，使汽車荷載偏載作用引起的支座負(fù)反力減小，橋梁的抗傾覆性能會(huì)得到有效提高。

3.4 上部結(jié)構(gòu)自重的影響

橋梁上部結(jié)構(gòu)自重沿橋梁中心線左右對(duì)稱分布時(shí)，自重越大橋梁抗傾覆能力越強(qiáng)。

4 箱梁抗傾覆驗(yàn)算

4.1 驗(yàn)算方法、步驟

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）中第4.1.8 條，將箱梁抗傾覆驗(yàn)算工況分為2 個(gè)特征狀態(tài)。

特征狀態(tài)1：在作用基本組合下，箱梁底的支座均處于受壓狀態(tài)。

特征狀態(tài)2：在作用的標(biāo)準(zhǔn)值組合下，整體式截面簡支梁和連續(xù)梁的作用效應(yīng)符合公式（1）：

式（1）中：li為第i個(gè)橋墩處失效支座與有效支座的支座中心間距；RGki為在永久作用下，第i個(gè)橋墩處失效支座的支反力，按全部支座有效的支撐體系計(jì)算確定，再按照標(biāo)準(zhǔn)值組合進(jìn)行取值；RQki為在可變作用下，第i個(gè)橋墩處失效支座的支反力，按全部支座有效的支撐體系計(jì)算確定，再按照標(biāo)準(zhǔn)值組合進(jìn)行取值，汽車荷載效應(yīng)（考慮沖擊）按各失效支座對(duì)應(yīng)的最不利布置形式取值；kqf為橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)，取2.5。具體驗(yàn)算步驟如圖1 所示。

圖1 箱梁抗傾覆驗(yàn)算步驟

4.2 驗(yàn)算內(nèi)容

獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆驗(yàn)算內(nèi)容主要包括橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)驗(yàn)算、支座脫壓驗(yàn)算，以及蓋梁和墩柱承載力驗(yàn)算等[4]。

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）及《公路獨(dú)柱墩橋梁運(yùn)行安全提升專項(xiàng)行動(dòng)技術(shù)要求》的相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行獨(dú)柱墩橋梁設(shè)計(jì)或加固驗(yàn)算時(shí)，驗(yàn)算內(nèi)容應(yīng)符合以下幾點(diǎn)要求：

第一點(diǎn)，同一聯(lián)中連續(xù)3 個(gè)及以上橋墩為墩柱墩時(shí)，可以不進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，應(yīng)直接進(jìn)行改造提升或者調(diào)整設(shè)計(jì)方案。

第二點(diǎn)，不符合上述第一點(diǎn)所述的支座支承式獨(dú)柱墩橋梁，應(yīng)進(jìn)行支座脫壓和橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)驗(yàn)算，若支座脫壓驗(yàn)算不滿足規(guī)定，還應(yīng)對(duì)支承反力重分布后的蓋梁、墩柱和支座等構(gòu)件進(jìn)行承載能力驗(yàn)算[5]。

第三點(diǎn)，不符合上述第一點(diǎn)所述的墩梁固結(jié)式獨(dú)柱墩橋梁，同樣應(yīng)進(jìn)行支座脫壓和橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)驗(yàn)算，若支座脫壓驗(yàn)算不滿足規(guī)定，還應(yīng)對(duì)支承反力重分布后的蓋梁、墩柱和支座等構(gòu)件進(jìn)行承載能力驗(yàn)算；同時(shí)應(yīng)對(duì)固結(jié)墩控制截面（包括固結(jié)墩墩頂、墩底、墩身截面尺寸與配筋變化處）的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。

5 抗傾覆穩(wěn)定性提升方法

可采用增設(shè)支座支承、改支座支承為墩梁固結(jié)、增設(shè)抗拉拔裝置及橋面增設(shè)警示柱等措施，提高獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性。

5.1 增設(shè)支座

獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性提升改造工程中，常用的增設(shè)支座方式如下：第一，在原結(jié)構(gòu)蓋梁上增設(shè)支座；第二，新增設(shè)蓋梁與支座；第三，加寬墩柱并增設(shè)支座；第四，增設(shè)墩柱和支座。增設(shè)支座的常用方式如圖2 所示。

圖2 增設(shè)支座的常用方式

圖3 改支座支承為墩梁固結(jié)方案示意

在原結(jié)構(gòu)蓋梁上增設(shè)支座的方案適用于現(xiàn)有構(gòu)造空間足夠，可直接改單支座為多支座的情況。新增設(shè)蓋梁與支座方案適用于獨(dú)柱墩橋梁箱梁下方空間受限，但墩柱頂部具有增設(shè)混凝土蓋梁或者鋼結(jié)構(gòu)蓋梁的情況，以及改單支座為多支座的情況。加寬墩柱并增設(shè)支座方案與增設(shè)墩柱和支座方案的使用條件相似，適用于原有橋梁上部結(jié)構(gòu)較寬，可直接通過加寬墩柱改單支座為多支座的情況。

5.2 改支座支承為墩梁固結(jié)

若獨(dú)柱墩橋梁的橋下空間不足，可以通過改變墩柱的連接方式，將支座支承改為墩梁固結(jié)，以提高抗傾覆穩(wěn)定性。

5.3 增設(shè)抗拉拔裝置

增設(shè)抗拔裝置僅能作為獨(dú)柱墩橋梁橫向抗傾覆的一種預(yù)防性措施，單獨(dú)使用時(shí)，對(duì)柱墩橋梁抗傾覆性能的提升效果不明顯。該方法采用植筋或者預(yù)埋錨栓將橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。采用該方法時(shí)，應(yīng)該充分考慮結(jié)構(gòu)變形的影響，合理預(yù)留變形間隙，不得對(duì)結(jié)構(gòu)形成多余約束。增設(shè)抗拔裝置如圖4、圖5 所示。

圖4 梁底增設(shè)抗拔裝置

圖5 箱梁腹板增設(shè)抗拔裝置

5.4 橋面增設(shè)警示柱

若獨(dú)柱墩橋梁橋面車道布置為單車道，但橋面寬度較大，且支座負(fù)反力較小，可以在橋面設(shè)置警示柱，減弱車輛偏載效應(yīng)，避免因偏載嚴(yán)重引發(fā)箱梁傾覆事故。橋面設(shè)置警示柱如圖6 所示。

圖6 橋面增設(shè)警示柱

6 獨(dú)柱墩橋梁運(yùn)維建議

2020 年9 月—2021 年11 月，通過交通運(yùn)輸部組織開展的公路獨(dú)柱墩橋梁運(yùn)行安全提升專項(xiàng)行動(dòng)，全國公路范圍內(nèi)的獨(dú)柱墩橋梁運(yùn)行安全得到了有效提升，成效顯著。雖然提升改造后的獨(dú)柱墩橋梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)能夠滿足規(guī)范所規(guī)定的大于2.5 的要求，但由于橋梁理論驗(yàn)算時(shí)取用的車輛活載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)際車輛荷載以及橋梁限載標(biāo)準(zhǔn)之間存在諸多差異，且這三種荷載之間的關(guān)系較為復(fù)雜，因此過橋車輛重量不大于2.5 倍橋梁限載并不代表獨(dú)柱墩橋梁絕對(duì)不會(huì)出現(xiàn)橫向傾覆事故。因此，加強(qiáng)運(yùn)營期間橋梁通行車輛的管理和控制尤為重要。運(yùn)營管理過程中，還需加強(qiáng)超限超載治理工作，避免重載車輛密集、靠邊行駛或排隊(duì)情況出現(xiàn)[6]。

7 結(jié)語

獨(dú)柱墩橋梁有諸多優(yōu)點(diǎn)，但可能產(chǎn)生橋梁傾覆事故，這也說明應(yīng)優(yōu)化該橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，在獨(dú)柱墩橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)從技術(shù)角度，對(duì)獨(dú)柱墩橋梁的傾覆機(jī)理、抗傾覆設(shè)計(jì)驗(yàn)算進(jìn)行分析，并對(duì)影響傾覆穩(wěn)定性的因素進(jìn)行分析，采取有效的獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性提升方法，并加強(qiáng)運(yùn)營管理，以進(jìn)一步保障交通安全。