公路与城市道路桥梁抗倾覆设计

公路与城市道路桥梁抗倾覆设计

覃涛峰

广西君威建设工程有限公司 广西 贵港 537100

摘要：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；道路桥梁；抗倾覆设计

1 桥梁横向倾覆失效的机理

1.1 内在因素的影响

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。

图1 桥梁结构横向倾覆示意图

1.2 外在因素的影响

引发桥梁横向倾覆的主要外在因素是车辆通行产生的荷载作用，若车辆长时间且大量集中在外侧车道通行，则会增加桥梁倾覆风险。据调查结果显示，多辆超载重载车辆同时行驶于外侧车道上是引发桥梁横向倾覆倒塌的重要因素，比如哈尔滨阳明滩大桥和无锡高架桥倾覆坍塌，造成多人伤亡，给人民的生命安全带来极大的危害。桥梁倾覆系数是抵抗弯矩与倾覆弯矩之比，其中抵抗弯矩是梁体恒载作用下对倾覆轴的稳定力矩，倾覆弯矩是在活荷载作用下引起倾覆的弯矩和。在抗倾覆设计中，按规范规定，在结构体系不发生改变的前提下，同时满足支座不脱空和桥梁倾覆系数不小于2.5。

2 公路与城市道路桥梁抗倾覆设计方法

2.1 工程概况

某公路项目中的一座高架桥，主线为连续箱梁，跨度30m，最大和最小桥宽分别为20.5m和13m，匝道桥位于曲线段上。因该工程所在地对桥梁景观的要求比较高，所以经方案比选之后，最终主线桥与匝道桥全部采用大悬臂斜腹板箱梁和直立式哑铃型实体薄壁墩。由于受到桥墩横向宽度的限制，加之匝道桥位于曲线之上，使得抗倾覆成为该桥梁设计的重点环节。应当在保证结构安全性、经济性和美观性的前提下，提出科学合理、切实可行的抗倾覆设计方案。

2.2 设计思路

桥梁结构抗倾覆设计中，应当对相关尺寸进行初步拟定，如桥墩横向宽度，需要重点考虑的因素包括桥宽与墩宽的协调性、箱梁横向抗倾覆稳定性等。具体拟定的过程中，充分考虑对横向抗倾覆不利的汽车荷载工况，进行有限元计算，分别计算出恒荷载作用下的稳定效应和汽车荷载作用下失稳效应，得到能够满足横向抗倾覆稳定系数超过2.5的横向支点的最小间距，在此基础上，以支座的布设空间为前提条件，对桥墩的最小横向宽度进行合理确定。

2.3 抗倾覆计算

在本工程中，对桥梁结构进行抗倾覆设计时，应当对支座反力及上部结构的抗倾覆稳定系数进行验算，具体如下：

对于直线桥而言，其倾覆旋转轴是所有外侧支点在纵向上的连线，而曲线桥与直线桥则存在一定的差别，它的支点连线位于弧线之上。所以在设计计算时，需要找到最不利的倾覆旋转轴。采用常规的方法对连续箱梁桥进行抗倾覆计算，步骤比较繁琐，其实在旋转线外弧侧的桥面面积越大，桥梁结构发生倾覆的可能性就越高。当这个面积达到一定程度时，桥梁将会100%出现倾覆。基于以上原理，按照本工程支座的布设详情，可以确定最容易发生倾覆的连线是13#墩柱的外侧支座到14#墩柱外侧支座的连线，如图2所示。

图2 最不利倾覆轴线

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。

2.4 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。

（4）曲线半径对桥梁跨径与边中跨的影响要远远超过对支点反力的影响，所以必须在抗倾覆设计中加以重视。通常情况下，恒荷载的反力储备比较多时，负反力出现的可能性非常小，即便有反力出现也都是正反力。故此，在对桥梁结构进行抗倾覆设计时，应适当加大容易出现负反力墩台侧的跨径，也可以减小相邻跨径，借此来增加墩台的恒荷载储备，避免发生倾覆。

（5）在桥梁结构中，盆式支座具有横向约束作用。因此，在抗倾覆设计计算时，应充分考虑支座允许的横向变形（正常为3.0-4.0mm），通过对这个位移的合理释放，能够减少横向反力。如果支点的横向反力超过竖向反力10%以上，那么应当隔墩设置盆式支座。

3 结束语

综上所述，公路桥梁工程中，抗倾覆设计既是重点也是难点，为避免桥梁发生倾覆失效的问题，设计人员应当掌握抗倾覆设计方法，并结合实际工程，对桥梁结构抗倾覆进行合理设计，保证桥梁的安全性与稳定性。

参考文献

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