連續(xù)梁橋的抗傾覆穩(wěn)定性設(shè)計方法

劉書畫

（中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100000）

1 引言

連續(xù)梁橋因具有良好的受力性能，被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)交通建設(shè)中。現(xiàn)有橋梁設(shè)計中主要考慮橋梁的強度，而對其抗傾覆穩(wěn)定性的規(guī)定較少。但在汽車超載情況下容易因抗傾覆穩(wěn)定性不足而導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。因此，本文針對連續(xù)梁橋抗傾覆破壞進行研究。

2 荷載工況

2.1 永久作用

永久作用考慮的要素較多，此處對較為關(guān)鍵的幾項展開分析：（1）箱梁自重：根據(jù)斷面展開計算，以混凝土為例，此類工程材料的重度為25 kN/m3；（2）支座沉降：單個墩臺最大沉降量取5 mm；（3）鋪裝層及護欄的荷載：前者層重47.8 kN/m，后者單側(cè)重6.2 kN/m；（4）收縮徐變：考慮10 a的收縮徐變。

2.2 可變作用

可變作用的關(guān)鍵要素因素有3項，具體做如下分析：（1）移動荷載。根據(jù)JTGB 01—2014《公路工程技術(shù)標準》中公路-Ⅰ級車道荷載驗算，同時需要考慮到計算荷載的沖擊系數(shù)，以保證參數(shù)的合理性。（2）整體升降溫荷載。結(jié)構(gòu)的溫度存在變化，其中，整體升溫、降溫幅度均一致，取18.5℃。（3）溫度梯度荷載。對于此項指標的選擇，主要參照JTG4 D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》第4.3.12條。

2.3 荷載組合

在橋梁工程中，荷載組合需要成為荷載工況分析中的重點考慮對象，主要參照JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》第4.1.5條，具體涉及兩方面，即基本組合和標準組合。

3 連續(xù)梁橋抗傾覆穩(wěn)定性分析

3.1 抗傾覆軸線

連續(xù)梁橋易在汽車荷載和偏載等作用下出現(xiàn)傾覆。在反傾覆設(shè)計時，首先需確定傾覆軸，具體至連續(xù)梁橋中，則圍繞兩部分做針對性的考慮：直線段，傾覆軸以橋梁中線最外層的支座線為宜；曲線段，其傾覆軸較為復(fù)雜，假想傾覆軸如圖1所示。

圖1 假想傾覆軸

3.2 工況的確定

立足于橋梁的實際運營模式，確定4種荷載模式或稱4種工況：（1）工況1為公路-I級汽車荷載，模擬標準設(shè)計荷載；工況2為1.3倍公路-I級荷載，模擬一般汽車超載；工況3為55 t重車（10 m間距），模擬重車車隊；工況4為3倍公路-I級荷載，模擬嚴重超載。

3.3 各工況的支座反力分析

相比于直線段，連續(xù)梁橋曲線段的受力體系更為復(fù)雜，無論荷載作用形式發(fā)生何種變化，均有不同程度的彎矩-偶合作用。部分曲線段采用的是單支座的支承方式，受支座結(jié)構(gòu)方面的限制，其平衡效果遠不及雙支座，若存在較大的反力差，則會伴有負反力以及脫空的情況，隨之作用于橋梁整體結(jié)構(gòu)，偏載的出現(xiàn)使連續(xù)梁橋發(fā)生傾覆。在荷載持續(xù)增加的情況下，迫使橋梁內(nèi)、外側(cè)受力狀況顯現(xiàn)出明顯的差異（內(nèi)側(cè)反力降低，外側(cè)支座反力有持續(xù)增加的變化）。若以成倍的方式快速增加外荷載，支座反力將加大，內(nèi)側(cè)支座反力受到偏載的影響而有下降的變化。

對比分析各部分結(jié)構(gòu)的反力可知，中墩支座和橋梁外側(cè)支座的該值處于較大的水平[1]。基于支座反力法展開抗傾覆穩(wěn)定性分析，認為在前述所提的4種工況下，橋梁內(nèi)側(cè)支座均無負反力，也不會出現(xiàn)脫空的情況，由此進一步推測，該連續(xù)梁橋不存在傾覆破壞的可能。

3.4 抗傾覆穩(wěn)定性

僅采用支座反力法難以準確地判斷連續(xù)梁橋的抗傾覆穩(wěn)定狀態(tài)，為規(guī)避該方法的局限性，此處引入抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，通過該指標的應(yīng)用，圍繞抗傾覆穩(wěn)定性展開分析。

各荷載模式下的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)如圖2所示。隨著荷載作用的增加，內(nèi)部支座有明顯的收縮變形，除此之外無其他異常狀況（未見脫空）。受超載和偏載的影響，橋梁的抗傾覆能力減弱[2]。較之于前述所提的支座反力法，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的引入具有更為突出的參考價值，可作為判斷橋梁橫向穩(wěn)定性的關(guān)鍵依據(jù)。

圖2 各荷載模式下的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

橋梁發(fā)生傾覆失穩(wěn)的原因較多，其中，因荷載作用而產(chǎn)生的不平衡力矩為主導(dǎo)因素。根據(jù)作用關(guān)系，穩(wěn)定力矩與上傾覆力矩的比值在很大程度上影響了橋梁的橫向穩(wěn)定性，通常該比值需在2.5以上，此時有利于維持橋梁的橫向穩(wěn)定性。在所提的各類工況中，公路-Ⅰ級荷載所對應(yīng)的傾覆穩(wěn)定系數(shù)最大，達到6.1，遠超過2.5。各橋梁支座均保持工作狀態(tài)，在正常荷載作用條件下，其均能穩(wěn)定使用，抗傾覆穩(wěn)定性得到保證。

考慮橋梁運營時的超載條件，圍繞工況4進行模擬分析，發(fā)現(xiàn)此時的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)較小，僅為2.1，并未達到2.5的下限值要求，盡管其在超載時無強度破壞問題，但就橫向抗傾覆穩(wěn)定性而言達不到要求，安全性與可靠性相對較差。對于工況2而言，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)約與工況3的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)相同，但從工況3的分析結(jié)果來看，橋梁具有抗傾覆穩(wěn)定性，且并無統(tǒng)一的荷載驗算標準，因此，易在設(shè)計中趨于保守，出現(xiàn)橋梁穩(wěn)定可靠但其經(jīng)濟效益優(yōu)勢受到抑制的局面（材料投入較多等）。綜合考慮前述所提的情況，提出抗傾覆穩(wěn)定性荷載驗算的工作思路，即應(yīng)用可靠度理論，并緊扣橋梁的實際交通狀況，展開更為客觀的分析。

3.5 支座預(yù)偏心對抗傾覆穩(wěn)定性的影響

在彎扭-偶合作用下，連續(xù)梁橋曲線段的受力條件更為復(fù)雜，且尤為特殊的是獨柱墩支撐體系，其支座容易因多重力的作用（包含壓力、扭矩）而處于異常使用的狀態(tài)。為切實改善橋梁的受力狀況，應(yīng)當有效布置支座，充分發(fā)揮該裝置在抗傾覆穩(wěn)定性領(lǐng)域的作用。并且，支座的布置位置還會對橋梁的傾覆軸帶來影響。支座預(yù)偏心的出現(xiàn)會隨之導(dǎo)致抗傾覆穩(wěn)定性發(fā)生變化，為明確具體的作用關(guān)系，此處采用參數(shù)控制法加以分析。以連續(xù)梁橋曲線段的獨柱墩為主要考慮對象，調(diào)整支座預(yù)偏心的值，構(gòu)建有限元模型，探尋預(yù)偏心與結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性所具備的關(guān)聯(lián)，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)與偏心距的關(guān)系如圖3所示。

圖3 抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)與偏心距的關(guān)系

偏心距發(fā)生變化后，橋梁支座均不存在空隙，達到要求。各類支座在偏心距發(fā)生變化時所受到的影響不盡相同，內(nèi)側(cè)支座則對偏心距的變化較為敏感，其反作用力在偏心距增加時也同步加大[3]。由此看來，支座的受力狀態(tài)與偏心距有密切關(guān)聯(lián)，而為了優(yōu)化支座的受力條件，可對偏心距做合理調(diào)整。從抗傾覆穩(wěn)定性的角度來看，因偏心距的增加，此方面的性能得以增強。根據(jù)前述分析結(jié)果，認為在獨柱墩處設(shè)置偏心距較為合適，其在改善內(nèi)外側(cè)支座的受力條件方面具有積極意義，而支座受力狀態(tài)的穩(wěn)定性又會帶來抗傾覆穩(wěn)定性能的提升，綜合效果較佳。

4 連續(xù)梁橋設(shè)計階段的抗傾覆措施

曲率半徑、橋面寬度等是影響抗傾覆能力的關(guān)鍵因素，在設(shè)計階段需要做充分的考慮：

1）設(shè)計中控制好支承間距，適當增加支承與箱梁下緣的距離，但必須保證支承邊與箱梁下緣的最小距離達到要求。通過對支承間距的有效控制，減小支座脫離受壓狀態(tài)的影響，提高箱梁的抗傾覆性能，使結(jié)構(gòu)具有更為突出的穩(wěn)定性優(yōu)勢。

2）合理設(shè)計橋梁線形，特殊地段設(shè)緩和曲線，在此前提下，進一步考慮微彎橋的抗傾覆性能，由于該類橋梁結(jié)構(gòu)缺乏足夠的抗傾覆性能，因此，必須以合理的方式規(guī)避。例如，優(yōu)先選擇曲率較小的橋型，此時對于保證橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性具有重要作用。

3）獨柱墩設(shè)計中，適當設(shè)置偏心距，發(fā)揮偏心距在優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力方面的作用，提升橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性。

4）對于支座支承的箱梁橋，在設(shè)計時應(yīng)當考慮到獨柱墩單支座支承的數(shù)量，正常情況下每2跨設(shè)1個雙支座支承，具體根據(jù)實際情況而定，但不宜連續(xù)設(shè)置3個或更多的獨柱墩單支座支承，否則反而會影響結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能。

5）橋梁越窄，其抗傾覆穩(wěn)定性越高，根據(jù)此規(guī)律可知，在寬橋的設(shè)計中宜采用雙柱墩支承，該類型的結(jié)構(gòu)具有較突出的抗傾覆能力。

6）設(shè)計中，還需有效避免單向受壓支座脫離受壓狀態(tài)的情況，而為了達到此方面的要求，可從支座的結(jié)構(gòu)形式以及受力特性出發(fā)，配套穩(wěn)定可靠的傳遞拉力裝置。

5 結(jié)語

隨著荷載的增加，橋梁支座無脫空現(xiàn)象，但內(nèi)側(cè)支座反力表現(xiàn)異常，有逐漸脫空的變化特點；在各類工況中，工況4時橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性能不達標，因此，就此方面做深入考慮，緊密結(jié)合橋梁的實際運營情況，組織橋梁抗傾覆荷載驗算工作；偏心距的合理性是保證橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的關(guān)鍵前提之一，在設(shè)計中應(yīng)著重考慮偏心距的控制，以30 cm的偏心距為宜，此時橋梁內(nèi)外側(cè)的支座可達到相對均衡與穩(wěn)定的狀態(tài)。