獨柱支撐連續梁橋抗傾覆穩定性研究綜述

牛鵬飛/石家莊鐵道大學

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獨柱支撐連續梁橋抗傾覆穩定性研究綜述

牛鵬飛/石家莊鐵道大學

【摘 要】如今在日益擁擠的城市化交通進程中，城市立交逐漸成為了城市中心線路以及主干線路中不可缺少的項目。在進行城市立交建設中，獨柱支撐曲線梁橋的出現完美的解決了橋梁線性、橋下凈空、視野開闊度等對于城市立交來說很關鍵的問題。同時面對日益增加的車輛荷載，獨柱梁橋抗扭能力比較弱，在偏載嚴重的情況下便有傾覆的危險。中國對于此問題并沒有成熟的理論設計方法以及規范，因此，本文將對如今各領域針對獨柱梁橋抗傾覆性能穩定性研究進行綜述，提出建議。

【關鍵詞】獨柱梁橋；抗傾覆穩定性；綜述

近年來，我國城市立交橋梁和干線公路橋梁一般選取獨柱現澆的結構形式進行建造，這種結構形式比較輕巧，并且能夠滿足城市立交對于建設用地、以及橋下凈空等方面的要求，同時結構美觀在一定程度上減少工程造價。因此普遍被城市立交所采用。但是，獨柱墩連續梁橋在結構受力方面存在著自身的不足，獨柱墩在橋梁橫向是單點支撐的形式，當橋梁面對嚴重偏載時，結構便會出現失穩情況，嚴重時會使支座發生脫空現象進而出現橋梁的傾覆，為行車帶來很大的危害。例如，2009年津晉高速公路連續獨柱墩匝道橋傾覆，2011年浙江上虞立交橋獨柱墩引橋側翻，2012年哈爾濱群力路高架橋獨柱墩橋整體側翻等，因此獨柱墩連續箱梁橋結構存在嚴重的安全問題有待解決。本文將研究獨柱墩橋梁的傾覆穩定性，得出其發生傾覆破壞的原因，總結抗傾覆研究成果，為研究者在此方向的研究工作提出有力參考。

一、獨柱墩梁橋受力及破壞特點分析

獨柱墩梁橋由于采用了獨柱支承，因而具有一些較獨特的受力性能。獨柱墩連續梁橋可以按中墩為鉸接或固結、主梁為直梁或曲梁進行分類，這樣可以準確反映結構的傾覆破壞特征。獨柱墩在工作當中有下面幾點特征。

1.如今的公路橋梁都不可避免的面對汽車超載的情況，有些車輛則會出現嚴重超載影響橋梁工作。而在獨柱墩梁橋工作中重點考慮的就是偏心荷載，嚴重的偏心荷載會使梁體產生巨大的扭矩，在面對連續梁橋時，這種扭矩會很大，如果在橋梁的初期設計過程中忽略此項影響，就很可能使橋梁在運營過程中抗扭不足，發生破壞。

2.獨柱墩使以偏心受壓的狀態工作，這樣當面對較高的橋梁建造時，墩柱較大的長細比在面對偏心受壓的情況時，就可能會發生偏壓破壞。

3.獨柱墩梁橋在運營過程中不可避免的會遇到許多特殊情況而這些情況并不會對那些非獨柱墩橋型的橋梁帶來實質性的傷害，比如橋上出現重載型車輛堵車，偏心活載以及恒載會使獨柱墩梁橋的邊墩支座的遠離荷載作用一側出現拉應力嚴重時發生支座脫空的情況。這時的橋梁就會出現整體失穩的可能，甚至導致傾覆破壞。

二、獨柱連續梁橋抗傾覆穩定性驗算方法研究現狀

由于對曲線梁橋的研究投入較少，研究相對比較薄弱，導致成果較少，也直接影響到了實際曲線梁橋工程中的設計施工參考和依據。目前國外對曲線梁橋的設計指導規范也只是少數，并且規范并不完整。而我國現行的公路橋涵規范中對曲線梁橋也是缺少相應的施工和設計規范。

（一）支座反力法

自橋梁傾覆問題引起重視以來，大部分研究者對獨柱墩連續梁橋的抗傾覆計算和設計都以控制支座反力為主要手段。現行JTGD60-2004《公路橋涵設計通用規范》中3.5.8條和JTGD62-2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》中9.7.4條中均只有禁止支座脫空的要求，而這些要求主要是針對支座本身而言，缺少對橋梁抗傾覆穩定性的相關規定。

（二）穩定系數法

傾覆臨界狀態在判別橋梁的抗傾覆穩定性之前，須定義傾覆臨界狀態。獨柱墩連續梁橋在傾覆過程中經歷兩種傾覆臨界狀態：一是邊墩支座脫空；二是中墩支座轉角超限。通常，直橋由第一狀態控制，彎橋由第二狀態控制。對于采用中墩固結的獨柱墩梁橋，在偏心荷載作用下，往往承載能力極限狀態先于傾覆臨界狀態，建議不列入抗傾覆研究范疇。

傾覆穩定安全系數的概念在橋梁中最早被用于驗算墩臺的整體穩定性。利用穩定系數法進行獨柱墩連續梁橋的抗傾覆分析，較支座反力法更為合理。文獻針對同一傾覆模型的驗算結果顯示，采用穩定系數法沒有通過，而采用支座反力法卻通過了。這并不意味著穩定系數法更保守，而是說明支座反力法不能正確地反映橋梁傾覆的實際狀況。在《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTGD62-2012）征求稿4.1.9中首次提出了對橋梁上部結構抗傾覆穩定性的驗算問題，指出中小跨徑整體式斷面（如箱梁截面）橋的上部結構抗傾覆穩定系數應滿足式的要求：

式中： γqf--抗傾覆穩定性系數；

同時規定在考慮汽車荷載沖擊作用的標準值組合效應下，橋梁的單向受壓支座不能脫空。

三、獨柱梁橋抗傾覆影響因素研究現狀

影響橋梁抗傾覆穩定性的因素是多方面的，主要包括：設計年代、跨徑組合、橋梁結構形式，設計荷載標準、平曲線半徑，邊、中墩類型，邊、中墩支座類型、中墩支座預偏心距、橋面寬與支座橫向間距的比值等。有學者認為在雖然影響獨柱墩梁橋抗傾覆性能的因素有很多，但是橋面寬與支座橫向間距比對橋梁抗傾覆穩定性起決定作用，如果比值越大，抗傾覆穩定性就越差。

近幾年來，中國一些學者采用有限元方法建立了大量獨柱墩連續梁橋的仿真模型，系統分析和總結了影響該類橋梁抗傾覆穩定性的主要因素，如曲率半徑、橋梁長度、聯端支座間距、中墩支座預偏心距等。結果表明：曲率半徑越小，橋梁長度越長，聯端支座的負反力越大；增大聯端支座間距，能有效提高橋梁的抗傾覆能力；合理預設中墩支座偏心距，可使聯端支座反力分布更為均勻，改善橋梁的受力性能。中墩支座合理預偏心距設置是一個優化問題，需綜合考慮多重影響因素，且對于不同曲率半徑的獨柱墩連續梁橋其側重點有所不同。可以設定相應的目標函數，采用分析軟件提供的優化設計模塊和參數化設計語言，通過計算機尋求合理的預偏心數值，所以在面對設置預偏心距離時，應在達到規范以及橋梁受力設計要求的基礎上優化設計，最終選擇出所要選取的偏心數值，以提高整體穩定性。

四、結語

獨柱墩梁橋由于其結構上的優勢包括凈空、視野問題、以及能夠達到城市立交在互交上的要求以及在造價上存在很大的優勢，并且從以及發生的件件事故中可以發覺其仍然存在抗傾覆性能上的問題。本文在總結前輩研究方法以及成果的基礎上分析理論、提出對比，以得出研究者在今后的研究工作中應該重點著手的問題，為其提供有力參考。

橋梁墩臺及基礎在各種外部因素的長期作用下，會出現不同程度的病害，這些病害造成的墩臺破壞會導致上部拱圈產生裂縫，上部拱圈開裂又會反過來繼續加劇橋梁墩臺的破壞，二者的破壞相互影響。基礎與墩臺的常見病害及原因有：

（一）基礎或墩臺的差異沉降、位移和轉動

過大的外部荷載及地基承載力的不足往往會造成墩臺和基礎發生位移及轉動，從而導致拱橋上部結構出現附加內力，嚴重的甚至會導致某些構件的開裂。

（二）基礎被掏空、墩臺沖蝕嚴重

調查發現：某些石拱橋墩臺及基礎由于長期的流水侵蝕，造成材料強度不斷下降，基礎的整體性受到嚴重威脅；早期建設的一些石拱橋防沖刷設置不合理，甚至沒有采取相應措施；一些橋梁下游非法采砂，造成水流加速，沖擊作用增強。

以上因素造成部分石拱橋的基礎掏空，墩臺受到嚴重的侵蝕，具體表現為：

（1）一些橋梁的擴大基礎基底和表面被沖刷嚴重甚至被掏空；（2）樁基礎承臺出現懸空；（3）墩臺表面巖石和砌筑砂漿沖刷外漏，甚至出現頸縮現象