獨柱墩彎橋抗傾覆穩定性分析

宋慶瑞

（山西省公路局晉中分局，山西 晉中 030600）

0 引言

現澆連續箱梁橋整體性能好、抗扭剛度大，下部結構若配置獨柱式橋墩，可使橋梁視覺通透、線條流暢、外形美觀，而且節約占地、節省工程造價，因此獨柱式連續箱梁橋被廣泛采用。目前，在獨柱墩橋梁計算時，往往只關注橋梁的抗彎能力和抗剪能力，忽視偏心偶然荷載的作用。我國載重車輛普遍存在超載現象，個別車輛超載甚至達到了200%～300%，這導致橋梁可能處于超負荷工作狀態。在偏心偶然荷載作用下，獨柱墩橋梁存在著較大的傾覆危險。國內已發生多起獨柱式橋墩箱梁橋傾覆倒塌事故，產生了較壞的影響，造成了重大經濟損失，獨柱墩連續箱梁橋的抗傾覆穩定性問題日益突出。

由于現行規范中沒有橋梁主梁抗傾覆的相關規定，故采用2012年的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（征求意見稿）中的相關規定。本文以某獨柱墩連續箱梁彎橋為例，對其抗傾覆能力進行驗算，評價其安全性能。

1 項目概況

某獨柱墩連續箱梁彎橋，上部結構采用6～20m普通鋼筋混凝土現澆箱梁，梁高1.3m，橋梁全長127m。橋梁按山嶺重丘區二級公路標準（與路基同寬8.5m）設計，同時考慮本橋位于R—150m左偏曲線上，按規范路基在曲線內側加寬1.0m，單向橫坡。該橋設計荷載為汽車—20級，掛車—100，橋面寬度組合為凈?8.734m+2×0.383m墻式護欄。0#橋臺和6#橋臺采用樁柱式橋臺，上方為圓形板式橡膠支座，設置雙支座，1#～5#橋墩為獨柱式橋墩，設置單支座。

2 抗傾覆驗算分析

箱梁橋傾覆是在汽車荷載的作用下，單向受壓支座依次脫空，邊界條件失效而失去平衡的過程。結構傾覆時，事前并無明顯表征，其危害性極大。

采用整體式斷面的中小跨徑梁橋應進行上部結構抗傾覆驗算。上部結構的抗傾覆穩定系數應滿足下式的要求：

式中：γqf為抗傾覆穩定系數；Sbk為使上部結構傾覆的汽車荷載（含沖擊作用）標準值效應；Ssk為使上部結構穩定的作用效應標準組合。

在作用標準值組合（汽車荷載考慮沖擊作用）下，單向受壓支座不應處于脫空狀態。

（1）對于正交橋梁、斜交角30°以內的斜交橋梁，傾覆軸線為位于箱梁橋中心線同側的橋臺支座連線，箱梁橋的抗傾覆穩定系數為：

式中：qk為車道荷載中均布荷載；Pk為車道荷載中集中荷載；l為橋梁全長；e為橫向最不利車道位置到傾覆軸線的垂直距離；μ為沖擊系數；RGi為成橋狀態時各個支座的支反力；Xi為各個支座到傾覆軸線的垂直距離。

（2）對于彎橋，當跨中橋墩全部支座位于橋臺外側支座連線內側時，傾覆軸線為橋臺外側支座連線；當跨中橋墩全部支座位于橋臺外側支座連線外側時，傾覆軸線取為一橋臺外側支座和跨中橋墩支座連線。

箱梁橋的抗傾覆穩定系數為：

式中：Ω為傾覆軸線與橫向加載車道圍成的面積；e為橫向加載車道到傾覆軸線垂直距離的最大值。

綜合結構傾覆不先于結構延性破壞、實際運營汽車荷載與設計汽車荷載的相互關系，確定箱梁橋的抗傾覆系數不應小于2.5。

分析箱梁橋的傾覆過程，橋臺側支座容易脫空，這是傾覆過程的開始，此時結構受力體系發生變化，因此，在作用標準值組合（汽車荷載考慮沖擊作用）下不應出現支座脫空。

橋梁傾覆的前提條件是支座要脫空，通過檢查支座在汽車荷載下是否脫空，來判斷橋梁是否會傾覆。如果支座均未脫空，并且有很大富余量，則認為此橋不會傾覆。

3 模型計算

采用Midas Civil 2010對橋梁結構進行建模計算。

連續箱梁彎橋雙支座模擬不同于普通橋梁邊界條件的模擬。首先，在支座下端建立節點，并將所有的支座節點按固結約束，這是一種模擬實際情況的建模方法。然后，復制支座節點到梁底標高位置生成支座頂部節點，并將支座節點與復制生成的頂部節點用“彈性連接”中的“一般連接”進行連接，并按實際支座剛度定義一般彈性連接的剛度，相當于建立一個支座單元，其三個方向的剛度值則是由實際工程中支座的類型和尺寸提供。最后，建立支座頂部節點與主梁節點之間的聯系。此時，利用“剛性連接”，以主梁節點作為主節點，支座頂部單元作為從節點，將其連接起來。這樣將主梁節點與支座頂部節點形成一個受力的整體，目的是為了真實的模擬其受力狀況。

主梁結構類型為普通鋼筋混凝土結構，有限元計算時將結構離散為120個梁單元，如圖1所示。

圖1 獨柱墩連續箱梁彎橋計算模型

計算中，混凝土自重去26kN/m3；二期恒載主要包括6cm厚混凝土橋面鋪裝及護欄，取15kN/m；汽車荷載采用汽車—20級車道荷載，按照車道偏載最不利的效應進行布置。根據橋梁抗傾覆的受力特點，本次驗算考慮涉及恒載及混凝土收縮徐變產生的次內力，以及上述各工況汽車荷載產生的內力，不組合沉降、溫度等荷載效應。

4 計算結果分析

本次驗算共設置以下三種工況：

工況一：汽車—20級車道荷載；

工況二：1.2倍汽車—20級車道荷載；

工況三：1.4倍汽車—20級車道荷載。

成橋狀況的支座恒載反力計算結果如圖2所示。支座恒載支反力匯總表見圖1。

圖2 獨柱墩連續箱梁彎橋支座反力圖

表1 支座恒載支反力匯總表

由表1可知，該橋在成橋狀況恒載作用下，各支座均未出現負反力，表明支座均未脫空，并且有較大富余量，認為此時橋梁不會傾覆。

各工況下支座最小反力，分別為各支座最不利狀態下的最小支座反力。各工況作用下支座最小反力值如表2所示。

表2 支座最小支反力（單位：kN）

由表2可知，在工況一與工況二下，全橋支座均未出現負反力，表明支座均未脫空，并且有一定富余量，認為此時橋梁不會傾覆；在工況三下，0#橋臺內側支座及6#橋臺內側支座產生負反力，存在傾覆的可能性，需進一步計算進行驗證。

各工況作用下支座最大反力如表3所示。查詢相應支座的承載能力，對支座承載能力進行評定。

表3 支座承載力驗算表

由表3可知，全橋所有支座均滿足承載能力要求。

該橋基頻為3.77Hz，根據公式μ=0.1767lnf-0.0157，計算得出沖擊系數為0.219（見圖3）。

圖3 獨柱墩連續箱梁彎橋頻率計算圖示

該橋傾覆軸線為6#橋臺外側支座與3#墩支座連線，如圖4所示。

圖4 獨柱墩連續箱梁彎橋傾覆軸線圖

（1）工況一

箱梁橋抗傾覆穩定系數：

（2）工況二

抗傾覆力矩不變，傾覆力矩相比工況一增大1.2倍，因此抗傾覆穩定系數為：

（3）工況三

抗傾覆力矩不變，傾覆力矩相比工況一增大1.4倍，因此抗傾覆穩定系數為：

各工況作用下橋梁傾覆系數如表4所示。

表4 各工況抗傾覆系數匯總表

5 結論

根據恒載和汽車荷載的計算結果，該橋支座在工況一和工況二均未產生負反力，不會發生支座脫空的現象。但在工況三的作用下，兩個橋臺部分支座在汽車荷載作用下出現負反力，應盡量避免該工況發生；支座承載力基本滿足設計要求；出現負反力后，經過傾覆系數計算，傾覆系數均大于2.5，滿足新規范征求意見稿的要求。通過對三個工況橋梁抗傾覆穩定性的驗算可見，橋梁雖然能夠滿足抗傾覆穩定性的要求，但在超載重車的作用下則會出現支座脫空，給正常運營的獨柱墩橋梁的安全性帶來很大隱患。因此，應加強正在運營的獨柱墩橋梁的檢測和動態觀察，制定有效的檢測措施，確保其安全運營。

抗傾覆穩定性是獨柱墩橋梁，尤其是獨柱墩彎橋的一個重要技術指標，對其進行抗傾覆驗算是必要的。當前無相關規范對橋梁的抗傾覆安全性進行評價，在獨柱墩橋梁建設的實際工作中，設計者應該對橋梁建設進行全方位、多角度的考慮，提高結構的可靠度，保證橋梁安全，為車輛的安全通行創造良好條件。對于已修建好的橋梁，應加強對交通的組織和管理，考慮車輛通行對橋梁可能帶來的不利影響，避免過度超載的車輛在橋上行駛，保證車輛的安全通行，保障橋梁結構的安全。

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