基于抗傾覆穩(wěn)定性分析的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

摘要：探究影響橋梁上部結(jié)構(gòu)橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性的主要因素，主要有偏心汽車荷載、橫向支座間距、橋梁邊中跨跨徑比、橋梁平曲線半徑、支座類型等方法；對橋梁上部結(jié)構(gòu)橫橋向傾覆失穩(wěn)模態(tài)和抗傾覆穩(wěn)定性計算原理進行深入的剖析，進而提出增大橫橋向支座間距、優(yōu)化橋梁孔跨布置、優(yōu)化橋梁平曲線半徑、控制汽車荷載分布等提高橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的具體措施，對保證橋梁上部結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性、安全性與可靠性有重大意義。

關(guān)鍵詞：橋梁抗傾覆穩(wěn)定性偏心汽車荷載支座間距邊中跨跨徑比平曲線半徑

中圖分類號：U448

ResearchonBridgeStructuralDesignBasedonAnti-OverturningStabilityAnalysis

LIGuozhen

ShaanxiNewXishangEngineeringTechnologyCo.，Ltd.，Xi'an，ShaanxiProvince，710000China

Abstract：Inthisarticle，themainfactorsaffectingthetransverseanti-overturningstabilityofthebridgesuperstructureareexplored，mainlyincludingeccentricvehicleload，transversesupportspacing，bridgeside-to-mainspanratio，bridgehorizontalcurveradius，andsupporttype.Itanalyzestheinstabilitymodeandanti-overturningstabilitycalculationprincipleofthetransversebridgesuperstructure，andthenproposesspecificmeasurestoimprovetheanti-overturningstabilityofthebridge，suchasincreasingthespacingofthetransversebridgesupports，optimizingthelayoutofthebridgeholespan，optimizingthebridgehorizontalcurveradius，andcontrollingtheloaddistributionofautomobiles，whichisofgreatsignificancetoensuretheanti-overturningstability，safetyandreliabilityofthebridgesuperstructure.

KeyWords：Bridgeanti-overturningstability;Eccentricvehicleload;Supportspacing;Side-to-mainspanratio;Horizontalcurveradius

橋梁作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，它的安全穩(wěn)定與否直接影響著社會經(jīng)濟發(fā)展、交通暢通以及人們的生命財產(chǎn)安全。橋梁抗傾覆穩(wěn)定性問題是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點問題，本文的研究目的在于通過對橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的基本原理進行分析，進而提出提高橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的有效方法，從而保證橋梁的穩(wěn)定、安全、可靠。

1橋梁抗傾覆穩(wěn)定性對橋梁結(jié)構(gòu)安全的重要性

近年來，隨著高速公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域的高速發(fā)展，我國已建成了十分龐大的、完備的陸路交通網(wǎng)運輸體系，為促進國家社會經(jīng)濟發(fā)展、方便人們的出行提供有力支持。然而，在發(fā)展過程中也出現(xiàn)了一些因交通設(shè)施失效而導(dǎo)致的安全事故，特別是自2007年以來，內(nèi)蒙古包頭、天津、浙江上虞、黑龍江哈爾濱和廣東河源等地相繼發(fā)生橋梁橫橋向傾覆失穩(wěn)直至垮塌的重大安全事故。對國家經(jīng)濟發(fā)展、人們的生命財產(chǎn)安全造成十分嚴重的后果，也產(chǎn)生了十分嚴重的社會影響。

橋梁抗傾覆穩(wěn)定性對于橋梁結(jié)構(gòu)安全具有至關(guān)重要的意義，是保證橋梁結(jié)構(gòu)在極端荷載工況下保持穩(wěn)定、安全運營的關(guān)鍵因素。一方面，橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性為橋梁結(jié)構(gòu)安全提供了基本保證；另一方面，橋梁抗傾覆穩(wěn)定性在橋梁設(shè)計中也是結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)驗算的一大重點內(nèi)容[1]。在對橋梁進行設(shè)計時，需要對其抗傾覆能力進行充分考慮，以保證其在極端荷載工況下的穩(wěn)定性。這就要求對橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的原理、影響因素進行充分研究，進而擬定有效的設(shè)計方案，從而提升橋梁抗傾覆穩(wěn)定性以及安全性。

2橋梁抗傾覆穩(wěn)定性分析的基本原理

2.1破壞過程分析

通過對多個橋梁上部結(jié)構(gòu)抗傾覆破壞案例進行分析，事故橋梁的基本特征（如圖1所示）為：上部結(jié)構(gòu)采用整體式箱梁；結(jié)構(gòu)體系為連續(xù)梁，上部結(jié)構(gòu)橫橋向由單向受壓支座支承；橋臺或過渡墩橫橋向采用雙支座或三支座，中跨橋墩全部或部分采用單支座。

特大橋發(fā)生災(zāi)變時，其主要特征是：單側(cè)承載力超過了常規(guī)受壓條件，支撐系統(tǒng)對上側(cè)的支撐系統(tǒng)失去了對上側(cè)的有效控制，導(dǎo)致了上部結(jié)構(gòu)的扭曲變形和橫向失穩(wěn)。具體如圖2所示。

2.2破壞機理分析

橋梁上部結(jié)構(gòu)橫橋向翻轉(zhuǎn)具有兩種典型的特點：在特征狀態(tài)1下，單側(cè)承載力下的箱形梁從受壓端脫落；在特殊狀態(tài)2下，箱形梁的扭轉(zhuǎn)支撐完全破壞；根據(jù)國外有關(guān)規(guī)程的規(guī)定，以此兩種特性值為結(jié)構(gòu)的抗傾覆校核條件。

（1）對于結(jié)構(gòu)特性1，在各構(gòu)件的共同工作條件下，各構(gòu)件的單側(cè)承載力均為承壓。

（2）在一座橋上，一對雙支座共同組成了一種抗扭支撐，對彎矩和扭振進行了雙限制。但在偏心汽車荷載作用下雙支座中遠離偏心汽車荷載的一個支座豎向壓力變?yōu)榱?、脫空失效后，靠近偏心汽車荷載的另外一側(cè)的有效支承只能對車輛的轉(zhuǎn)矩進行限制，而不能限制扭轉(zhuǎn)的變形。在跨中橋向的扭撐完全破壞后，該結(jié)構(gòu)已進入受力均衡或扭曲破壞的極限狀態(tài)，也就是所謂的“特征狀態(tài)”。對特征狀態(tài)2，橫向傾覆驗算，應(yīng)用“穩(wěn)定效果=穩(wěn)定系數(shù)×不穩(wěn)定效果”公式[2]。

2.3計算方法

橋梁處于特征狀態(tài)2時，縱橋向各個橋墩都存在一個有效支座。穩(wěn)定效應(yīng)和失穩(wěn)效應(yīng)按照失效支座對有效支座的力矩進行計算。

式（1）、式（2）中：為第i個橋墩處失效支座與有效支座的支座中心間距；為在永久性荷載下，對第i號墩破壞的支撐力，按照所有支撐系統(tǒng)的實際情況進行了分析，并將其作為標(biāo)準(zhǔn)值的綜合數(shù)值oatsBT15xXQwVCOnJT3/9++QzNZha+eoFk8ztO5eG+s=；為對于不同的荷載，第i個墩的破壞支撐的支撐力，按照所有支撐系統(tǒng)的實際情況進行了分析，并將其作為標(biāo)準(zhǔn)值進行綜合考慮；根據(jù)每一破壞節(jié)點相應(yīng)的最不利布局方式確定車輛（計及碰撞）的影響。

3抗傾覆穩(wěn)定性的影響因素

3.1偏心汽車荷載

影響橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的因素中，偏心汽車荷載是起決定性作用的外荷載因素。偏心汽車荷載是按最不利布載原則將汽車荷載布置在曲線外側(cè)的偏載線上，進而計算由活荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下的支座反力，從而確定抗傾覆穩(wěn)定計算中的傾覆力矩效應(yīng)值。這種不對稱荷載分布使結(jié)構(gòu)受到扭矩與彎曲效應(yīng)的影響，從而導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)傾覆風(fēng)險。偏心汽車荷載的大小、方向及位置均能顯著影響橋梁抗傾覆穩(wěn)定性。在偏心汽車荷載較大時結(jié)構(gòu)需承受更大扭矩及彎曲力矩，會造成結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性下降甚至失穩(wěn)[3]。同時，偏心汽車荷載方向與位置還會對結(jié)構(gòu)受力分布與傳力路徑產(chǎn)生影響，從而對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

3.2橫橋向支座間距

橋臺或過渡墩處橫橋向設(shè)置雙支座，而橫橋向兩個支座之間的間距大小是影響橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的重要因素。在橋梁寬度一定的情況下，將偏心汽車荷載布置在兩個支座的外側(cè)時，可能使遠離偏心汽車荷載一側(cè)的支座壓力消失而脫空失效，而當(dāng)偏心汽車荷載作用在橫橋向兩個支座之間就大大降低了遠離偏心汽車荷載一側(cè)支座脫空失效的風(fēng)險，從而提高橋梁抗傾覆穩(wěn)定性。

3.3橋梁邊中跨跨徑比

連續(xù)橋梁上部結(jié)構(gòu)邊中跨跨徑比對一聯(lián)內(nèi)縱向支座反力的影響較大，當(dāng)橋梁邊中跨跨徑比較小時，邊跨支座在恒載作用下壓力較小，在橫橋向偏心汽車荷載作用下，遠離偏心汽車荷載一側(cè)的支座更容易脫空失效，導(dǎo)致橋梁抗傾覆穩(wěn)定性下降。當(dāng)橋梁邊中跨跨徑比增加時，邊跨支座所受壓力逐漸增加，在恒載與偏心汽車荷載作用下支座脫空失效的可能性降低，橋梁上部結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性逐漸增強[4]。因此，在合理范圍內(nèi)增大邊中跨跨徑比可以提高橋梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性。

3.4橋梁平曲線半徑

曲線橋梁由于其本身“外梁加載、內(nèi)梁卸載”的力學(xué)特性，在預(yù)應(yīng)力荷載的作用下，上部結(jié)構(gòu)端部扭轉(zhuǎn)彎矩較大，加劇了橫橋向內(nèi)外側(cè)支座反力不均勻分布的問題，甚至使得橋梁在恒載作用下內(nèi)側(cè)支座就已經(jīng)出現(xiàn)脫空失效的現(xiàn)象，在偏心汽車荷載作用下，更是加劇了邊跨內(nèi)側(cè)支座脫空的程度，進而引發(fā)上部結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定問題。

4提高橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的具體措施

4.1增大橫橋向支座間距

在橋梁寬度一定的情況，采用在梁端設(shè)置端橫梁的方式，盡量增大橫橋向兩個支座之間的距離，以達到在減小偏心汽車荷載傾覆力矩偏心距的同時增大恒載抗傾覆力矩偏心距的效果，甚至使偏心汽車荷載作用于橫橋向兩支座之間降低橫橋向遠離偏心汽車荷載側(cè)支座脫空失效的可能，進而提高橋梁抗傾覆穩(wěn)定性。

4.2優(yōu)化橋梁孔跨布置

在進行橋梁孔跨布置時，在客觀條件允許的情況下盡量優(yōu)化橋梁邊中跨跨徑比，以使橋梁邊跨支座在恒載作用下獲得較大的支座反力，以減緩在偏心汽車荷載作用下遠離偏心汽車荷載一側(cè)的支座脫空失效的可能，甚至保證其仍處于受壓狀態(tài)，以提高橋梁抗傾覆穩(wěn)定性。

4.3優(yōu)化橋梁平曲線半徑

路線平曲線設(shè)計時，盡量優(yōu)化橋梁平曲線線形，減緩曲線橋梁“外梁加載、內(nèi)梁卸載”的力學(xué)特性，進而減輕橫橋向內(nèi)外側(cè)支座反力不均勻分布的問題，盡量使曲線內(nèi)側(cè)支座在恒載及偏心汽車荷載作用下不出現(xiàn)脫空失效，從而提高橋梁抗傾覆穩(wěn)定性。

4.4控制汽車荷載分布

在橋梁抗傾覆穩(wěn)定性分析中，偏心汽車荷載是導(dǎo)致橋梁上部結(jié)構(gòu)發(fā)生橫橋向傾覆失穩(wěn)的最根本外部原因。因此，在改善橋梁抗傾覆穩(wěn)定性能時，對汽車荷載分布的控制不僅與橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)，也與車輛過橋方式及規(guī)范管理有關(guān)。橋梁正常運營期間，通過有效的管理可減小橋梁實際承受的偏心荷載大小與偏心距，以降低橋梁傾覆風(fēng)險[5]。在這個過程中，關(guān)鍵點是確保汽車荷載在橫橋向的分布是均衡的，避免過重的車輛在橋梁上沿一條邊車道過度集中，導(dǎo)致實際偏心荷載和偏心距過大。

5結(jié)語

總之，橋梁抗傾覆穩(wěn)定性問題是橋梁工程面臨的一個重要課題，需考慮諸多因素，采取適當(dāng)?shù)慕鉀Q方法。通過增大橫橋向支座間距、優(yōu)化橋梁孔跨布置、優(yōu)化橋梁平曲線半徑、控制汽車荷載分布等方法，可以有效提高橋梁抗傾覆穩(wěn)定性并保證橋梁安全可靠。在今后的橋梁工程設(shè)計工作中，應(yīng)始終如一地重視橋梁抗傾覆穩(wěn)定性驗算及研究工作，不斷探索更多先進高效的提高抗傾覆穩(wěn)定性的措施，從而為橋梁安全運營及長期服役提供強有力的保障。

參考文獻

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