曲线独柱墩混凝土连续箱梁桥横向抗倾覆稳定性的研究魏渊

曲线独柱墩混凝土连续箱梁桥横向抗倾覆稳定性的研究魏渊

魏渊

中设设计集团股份有限公司佛山分公司广东省佛山市528000

摘要：随着我国城市基础建设的快速发展，城市立交桥和高架桥的结构形式越来越多样化。为提升立该结构型桥梁的适地性与行车舒适性，独柱墩连续梁桥得到广泛应用。因独柱墩桥梁的支撑方式为单点支撑，当遇到严重超载情况时，桥梁会出现倾覆破坏。近年来，国内发生多起由于严重超载导致独柱墩桥倾覆倒塌事故，造成巨大经济损失和人员伤亡。目前，我国桥梁设计者大多仅考虑了桥梁的抗弯、抗剪性是否符合规范要求，而桥梁抗倾覆稳定性的安全储备没有足够重视。

关键词：曲线独柱墩；混凝土连续箱梁桥；横向抗倾覆稳定性；

现浇连续箱梁桥整体性能好、抗扭刚度大，下部结构若配置独柱式桥墩，可使桥梁视觉通透、线条流畅、外形美观、节约桥梁占地并能节省工程造价，因此独柱式连续箱梁桥在互通式立交的匝道桥中被广泛采用。目前我国载重车辆普遍存在超载现象，个别车辆超载甚至达到了200％～300％，导致多数桥梁处于超负荷工作状态。在偏心偶然超载作用下，已经导致国内发生多起独柱墩箱梁桥倾覆倒塌事故，造成了巨大的经济损失和不良的社会影响，现有独柱墩连续箱梁桥的横向抗倾覆稳定性问题日益突出。

一、现象分析

当前国内桥梁设计人员在设计工作中对上部箱梁抗弯、抗剪强度以及抗裂性能等结构自身强度方面比较注重，在满足规范要求条件下往往考虑车辆超载等的情况而保留有较大安全富余，但对箱梁的横向稳定性方面缺乏必要的重视，缺乏对结构空间特性的了解，即便是考虑了横向稳定性，也多是把支座脱空与否简单地作为评价桥梁横向稳定性的惟一指标，来评价上部箱梁的抗倾覆性能，而对结构的全局未作深入剖析，在设计阶段就埋下安全隐患，因而使桥梁横向稳定性成为结构安全问题的瓶颈。从国内近几年发生的独柱墩箱梁桥倾覆倒塌事故中可以发现，除了均受到严重超重偏载外，发生事故的独柱墩桥梁都有如下共同点：（１）事故桥梁平面线形较为平直，位于直线段、缓和曲线或曲率半径较大的圆曲线上。（２）事故桥梁的中间独柱墩均发生破坏。显然，第一点比较容易理解，由于曲线桥的支点是空间约束体系，形成了一个稳定的约束面，而直线或者接近直线的桥梁支点几乎在一条直线上，对于横向扭转约束几乎仅仅是靠端部的双支座来完成的，因此相同条件下直线桥上部箱梁横向稳定性比曲线桥更差。第二点按常规思路比较难以理解，通常独柱墩柱顶设计内力以竖向轴力为主，水平力除地震力较大外，汽车制动力和离心力均不控制设计。而从倒塌的桥梁实例看，独柱墩柱底截面产生了压弯破坏，柱顶发生水平向大变形进而导致上部结构落梁。显然，在立柱发生破坏前，柱顶产生过较大的横向水平推力导致立柱破坏。

二、曲线独柱墩混凝土连续箱梁桥横向抗倾覆稳定性的研究

1.连续箱梁桥抗倾覆验算分析。在曲线连续箱梁桥中，由于梁体内、外侧恒载差以及偏心偶然超载的作用下产生较大的扭矩，通常会使箱梁外侧超载、内侧卸载，当扭矩不断增大，达到并超过了整个结构对于梁体外侧翻转轴所能承受的抵抗翻转力矩时，箱梁内侧支座将产生负反力，这时如果梁体自身不能抵消此负反力，就会出现梁体与支座的脱离，即“支座脱空”现象，梁体曲线内侧支座就可能因为压力重分配而压坏从而丧失承载能力，整体结构就可能会发生侧翻并倾覆。可以用抗倾覆度作为评价连续箱梁桥抗倾覆能力的指标。对于抗倾覆扭转力矩，主要有箱梁翻转轴扭转方向异侧的结构重力；对于倾覆扭转力矩，则主要有箱梁翻转轴扭转方向同侧的结构重力和偏载的活载力矩。本文通过对9座独柱墩中横向受力最不利的连续箱梁进行了抗倾覆计算分析，对影响独柱墩连续箱梁桥横向稳定的因素进行了分析和总结，从而为独柱墩连续箱梁桥的设计提出一些建议和参考。

2.工程概况。本文计算的9座独柱墩连续箱梁桥。设计时每一联除简支处采用双柱墩（双支座）外，连续处均设计为独柱墩（独支座）。连续墩处横桥向考虑了支座中心线（墩中线）偏离箱梁中心线曲线外侧一定的偏心距。在偏心偶然超载作用下，独柱墩桥梁可能发生整体横向失稳。现选取偏载作用下抗倾覆最不利的第五联箱梁进行横向整体抗倾覆验算，来具体分析抗倾覆能力的影响因素。该类梁体下部联端简支处均为盖梁双柱墩，盖梁上的非抗扭盆式支座均与下方墩柱直接对应，故支座竖向作用不会对盖梁造成直接破坏。联内连续处均为独柱通过非抗扭盆式支座直接支承梁体横梁。超重车辆对下部的影响主要是轴力的增加，故本次抗倾覆稳定验算不考虑下部的问题。

3.计算参数。一是材料参数。主梁采用C40混凝土，钢筋混凝土容重取为26kN/m3，C40混凝土弹性模量为3.25×104Mpa，抗压设计强度18.4Mpa，混凝土材料的收缩徐变特性全部按照规范规定取值。二是计算荷载。①结构自重。自重由程序自行计算，考虑了横梁处的实心段和截面变化，钢筋混凝土容重计为：26kN/m3。②二期恒载。钢筋混凝土容重计为：26kN/m3，沥青混凝土容重按24kN/m3计算，桥面铺装（8cm混凝土、10cm沥青）、防撞护墙以均布力的形式施加于主梁单元上。③汽车活载。首先按现行规范公路标准车道荷载进行复核性验算，其次选取特殊荷载进行非常规倾覆安全性验算。车道荷载在偏载满布作用下，按单车道最不利偏载布置。④汽车荷载冲击系数。冲击系数按公路桥涵设计通用规范规定的方法计算，取标准跨径20m。⑤不均匀沉降。计算时考虑5mm的不均匀沉降量。⑥离心力。根据公路桥涵设计通用规范计算。经计算第五联的离心力产生的向外侧的每延米倾覆力矩为5.23KN.m/m。⑦荷载组合。超载车辆荷载为偶然荷载，验算按公路桥涵设计通用规范规定进行荷载组合，对混凝土收缩徐变、温度效应和横向风荷载等均不考虑。

4.有限元模型。第五联采用4×20米现浇连续箱梁，箱梁顶板宽10.5米，底板宽6米。下部结构简支处采用双柱墩，连续处采用独柱墩。本联15～17号连续墩处横桥向考虑了支座中心线（墩中线）偏离箱梁中心线曲线外侧13cm的偏心距。车道荷载在偏载满布作用下，按单车道最不利偏载布置，荷载横向布置采用有限元分析软件进行计算，全桥共126个节点，111个单元。按曲线梁建模，计算结果独柱墩桥梁在偏心超载作用下主要存在以下几点安全隐患：①独柱墩梁体尤其曲线桥梁，在偏载作用及梁体内外侧恒载偏心作用下，多支承点位置支座可能存在脱空，桥梁结构存在整体失稳、倾覆的可能性。②在偏心超载作用下，梁体承受较大的扭矩作用，且跨径越长，独柱墩数量越多，扭矩累积作用越大，一但梁体抗扭能力不足，桥梁将出现剪扭破坏。③独柱墩本身为偏压构件，如果墩高较大或者墩身过细，在较大的偏载作用下，立柱将存在偏压破坏的可能性。由于本文主要关注上部箱梁的整体倾覆稳定，故不再讨论这种情况。本次计算主要分析以下两方面：一是箱梁在偏载作用下的整体刚性倾覆验算独柱墩曲线桥梁，在车辆活载、离心力等偏载作用效应下出现的支座脱空现象，即桥梁（简支）墩台处的双支座出现负的支反力时，独柱墩桥梁上部结构就存在倾覆的危险。本文假定在偏心超载发生横向整体侧倾前，梁体不会先发生弯扭破坏。考虑超载情况，分级增加活载效应，当活载效应增加至标准车道荷载的1.8倍时，桥墩处内侧支座出现负反力，桥台处支反力将出现支座脱空现象，该桥在此荷载等级作用下，将存在倾覆的危险。二是持久状况下桥梁抗扭承载力计算由于独柱墩单支座结构不能承受梁体纵向扭矩，其作用全部由联端简支处的双支座产生反扭矩对抗，故联端靠近支座处的梁体承受纵向扭矩是最大的。根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范截面的抗扭承载能力。在标准车道荷载作用下近联端附近边跨梁体截面扭矩设计值梁体抗扭承载力满足规范要求。该桥上部结构抗扭承载能力满足规范要求，结构抗扭安全储备较高，且可得知箱梁产生扭转破坏之前会先发生倾覆破坏。由于箱梁上部结构的抗扭承载能力一般均较高，因而很少出现由于扭转作用而造成破坏。当一联内孔数减少、联长缩短时，由于其所能排布的偏载车辆也较少，故而对联端产生的扭矩也较小，所以独墩单支座连续梁结构出现超载扭断破坏的可能性是随着其一联的长度增加而增加的。曲线梁由于弯（剪）扭矩耦合效应的作用，相同孔数的一联的扭矩内力，曲线梁将较直线梁增大不少。

三、建议

独柱墩连续箱梁桥的横向稳定性与众多因素相关，除了与桥上荷载大小及布置形式有关外，还包括主梁线形、桥跨布置、支座布置、箱梁及桥墩的刚度与强度等诸多结构体系的内在因素。（１）独柱墩连续箱梁桥的横向稳定问题并不仅仅是一个上部箱梁抗倾覆问题，而是涉及到上、下部结构联动的整体稳定性问题。传统的设计和评估思想中，把支座是否脱空作为横向稳定性的判别条件是非常片面的。因此，支座是否脱空不能作为横向稳定性的惟一判别条件，而应作为上部箱梁梁体是否处于正常工作状态、是否发生弯扭大变形或刚体倾覆的前提条件。（２）墩柱受到水平推力而发生压弯破坏是独柱墩桥梁在超重偏载作用下发生垮塌的直接原因。显然对于独柱墩桥梁的横向稳定性，传统的设计和评估思想过多的注重上部箱梁的抗倾覆性能，而忽视了问题中最直接的因素。在设计和加固中更应注重墩柱的横向刚度和强度问题。（３）鉴于独柱墩连续箱梁桥存在安全隐患，因此设计中在外部条件允许的情况下尽可能避免采用独柱单支座的形式，而采用双柱双支座的形式。若场地条件受限而必须采用独柱墩单支座，则应增大墩身截面，加大横向压弯强度，减小立柱长细比。（４）根据本文的分析，对于已建成独柱墩桥梁的加固，最为有效的方法是加大立柱断面、增加墩身强度。而在柱顶增设抗扭支座、增设拉杆等只能作为一项附加措施，其主要作用是增大上部箱梁的扭转刚度，控制梁体扭转变形，防止出现大变形使支座损坏，而对于墩柱横向稳定性，抗扭支座和拉杆等所起的作用有限，有时起到反效果。在桥梁通车运营期间，有关路政部门应切实加强对桥梁使用的管理。须严格杜绝超重车辆上桥行驶，一旦发现应及时堵停卸货或由有资质的单位做特载车辆单独验算、制定专门的通行方案，切不可侥幸盲目上桥。

由于连续处独柱墩设置了合理的横向偏心距，在现行公路车道荷载下的最不利偏载作用下，不会发生桥梁横向失稳，抗倾覆验算满足规范要求。考虑超载情况，当活载效应增加至标准车道荷载时，将出现支座脱空现象，该桥在此荷载等级作用下，将存在倾覆的危险。独柱墩连续箱梁桥在我国有着非常广泛的应用，但目前正在服役公路桥梁在偏心偶然超载时存在倾覆危险的桥梁不在少数。为了避免发生支座脱空现象导致侧倾，提高桥梁的抗倾覆能力。

参考文献：

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