獨柱墩梁橋抗傾覆穩定性驗算汽車荷載研究

趙俊程，禹智濤，劉銘煒

（廣東工業大學，廣東 廣州 510006）

獨柱墩梁橋抗傾覆穩定性驗算汽車荷載研究

趙俊程，禹智濤，劉銘煒

（廣東工業大學，廣東 廣州 510006）

為了徹查廣東省高速公路既有獨柱墩梁橋抗傾覆穩定性問題，為新建獨柱墩橋梁提供設計依據，對該類橋梁的抗傾覆穩定性驗算汽車荷載進行研究。根據廣東省交通集團貨車調查分析成果，虎門二橋荷載統計報告，同濟大學對上海市車輛荷載研究成果，得出廣東省現狀汽車荷載模式。通過實例有限元分析對比，得出《公路橋涵設計通用規范》（JTD D60－2015）中規定的汽車荷載在驗算該類橋梁傾覆時，偏不安全，且隨著聯長的增長，安全度降低。發現該類橋梁的汽車荷載產生的傾覆效應與其荷載總量有近似比例關系，與其荷載模式關系不大，并提出以公路-1級汽車荷載乘以3.4倍的分項系數為驗算汽車荷載。

獨柱墩梁橋；傾覆效應；抗傾覆穩定性驗算；汽車荷載；車道荷載；車輛荷載

0 引言

近年來，國內出現了多起獨柱墩梁橋傾覆事故，造成了巨大的經濟損失和人員傷亡。事故發生后，往往伴隨著媒體、大眾對橋梁生產者和管理者的質疑和聲討，造成了及其惡劣的社會影響。橋梁設計者普遍認為在以后的設計中盡量避免采用獨柱支撐梁橋，但是獨柱墩梁橋具有結構輕巧、簡潔流暢、造型美觀，橋下通透性好、視野開闊，占地量小，下部工程量小，施工方便等諸多優點，尤其在受到地形、地物限制的情況下，往往成了唯一選擇的橋型[1]。為了嚴防此類事件再次發生和對既有橋梁抗傾覆穩定性評估，廣大科研工作者需要對獨柱墩梁橋的抗傾覆穩定性作系統全面的研究，找出事故發生的機理和預防措施。

綜觀近年來已發生的橋梁傾覆事故，超載是最重要的原因之一[2]。目前雖然已實行計重收費，但并未能全面禁止超載車輛通行。少數橋梁雖能滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》JTGD62-2012（征求意見稿）的條文規定，但仍發生了傾覆事故，為保障橋梁安全運行，統一驗算要求，本文總結了廣東省交通集團貨車調查分析成果，虎門二橋荷載統計報告，同濟大學對上海市車輛荷載研究成果，通過實例有限元分析對比，得出《公路橋涵設計通用規范》（JTD D60－2015）中規定的汽車荷載在驗算橋梁傾覆時的局限性，并提出適用于驗算該類橋梁傾覆的汽車荷載模式。

1 國內部分省市現狀車輛荷載調查

1.1 廣東省交通集團貨車調查分析[3]

廣東省內高速日均重車統計，見表1。

表1 廣東省內高速日均重車統計表

調查數據顯示，全計重收費后，重車比例下降較多，但數量仍不可忽視。可見，若采用公路1級進行抗傾覆驗算，難以考慮120 t重車的影響，可能得出偏不安全的結果。因此抗傾覆驗算時，需對荷載模式進行研究

1.2 虎門二橋荷載統計報告結果

通過對四個調查點的實時車輛荷載數據進行概率統計分析，得出了95%保證率的車輛荷載標準模型，并結合項目所在區域的采集到的最大重車，建立了虎門二橋現狀汽車荷載模型車道荷載、車隊荷載和車輛荷載分別見圖1～圖3[4]。

圖1 現狀車道荷載

圖2 現狀車隊荷載

圖3 現狀車輛荷載

根據現狀汽車荷載，得出設計荷載標準建議值[5]，見表2。

表2 荷載標準建議值

對于聯長75 m左右中小跨徑橋梁，折算均布荷載值約為27.5 kN/m（一輛重車3輛標準車）[6]。相當于規范公路Ⅰ級車道荷載的2.5倍。

1.3 同濟大學對上海市車輛荷載研究成果

上海繞城高速車輛荷載模型，見圖4。

圖4 現狀車輛荷載

當跨徑小于5 m時，Pk=600 kN，跨徑大于50 m時Pk=1200kN,橋梁計算跨徑在5～50 m之間時Pk按照直線內插求得。相當于規范公路Ⅰ級車道荷載的3.4倍。

2.4 近年來國內傾覆事故發生時橋上汽車荷載統計

國內傾覆事故荷載統計見表3。

表3 國內傾覆事故荷載統計

由上述事故荷載可見，事故車輛單車重一般在1 200 kN左右，且事故車輛密集排列。若按標準車重 1 200 kN，軸重 F1=52 kN,F2=209 kN, F3=243 kN。排列方式，見圖5。

圖5 重車車隊荷載

車輛長16.5 m,凈間距8 m。對于中小跨徑橋梁，一列重車車隊荷載相當于15公路橋梁規范車道荷載的3～4倍。

2 驗算汽車荷載與規范汽車荷載的傾覆效應對比分析

2.1 三種汽車荷載定義

（1）公路89規范汽車－超20級荷載[7]。該汽車荷載以汽車車隊表示，縱向布置見圖6，車輪橫向間距為1.8 m，考慮沖擊系數。

圖6 公路89規范汽車-超20級荷載

（2）公路15規范的公路－Ⅰ級車道荷載[8]。該汽車荷載由均布荷載qk和集中荷載Pk組成見圖7，其中均布荷載標準值為qk=10.5 kN/m，集中荷載標準值按以下規定選取：橋梁計算跨徑不大于5 m時，Pk=270 kN；橋梁計算跨徑不小于50 m時，Pk=360 kN；橋梁計算跨徑在5～50 m時，Pk值采用線性內插求得，集中荷載、均布荷載均考慮沖擊系數。

圖7 公路15規范公路-Ⅰ級車道荷載

（3）參考第3節資料分析，廣東省現狀車輛荷載相當于規范公路Ⅰ級車道荷載的3～4倍，建議公路獨柱墩梁橋抗傾覆穩定性驗算汽車荷載取3.4倍的公路-1級車道荷載（以下簡稱驗算汽車荷載）[9]。

2.2 三種汽車荷載引起的橋梁傾覆效應

根據對廣東省內450聯獨柱墩梁橋的調查統計[3]，取4個具有代表性的預應力混凝土橋梁結構進行傾覆效應分析。模型1:20 m+25 m+20 m直線橋；模型2：20 m+25 m+20 m曲線橋（曲線半徑r=210 m）；模型3：25 m+35 m+35 m+25 m直線橋；模型4：25 m+35 m+3 5m+25 m曲線橋（曲線半徑r=210 m）4座模型橋梁均寬10 m，邊支撐間距為5 m，中支撐均采用盆式橡膠支座。

經分析實際發生的獨柱墩橋梁傾覆事故的破壞過程，其表現為在偏心荷載作用下，主梁扭轉變形，邊墩支座脫空，然后出現中墩支座轉角超限，結構產生大變形，中墩出現較大的橫向水平推力，并隨著轉角加大而增大，最達到極限強度，橋墩強度破壞，上部結構失去支撐而塌落[10]。取使邊墩支座失效時對應的汽車荷載最不利布置形式，為最不利工況[11]。該工況時各規范汽車荷載和驗算汽車荷載情況見圖8。確定各橋墩處失效支座的可變作用支反力對該橋墩有效支座中心的力矩之和為各汽車荷載傾覆效應的比較項目。最不利工況下各汽車荷載產生的梁端傾覆力矩情況見圖9。

由圖8、圖9可知：（1）公路89規范和公路15規范的汽車荷載加載總量相當，對于65 m的小跨徑獨柱墩橋梁，公路89規范荷載總量要大于公路15規范的荷載總量，對于120 m的大跨徑獨柱墩橋梁則反之。（2）相同聯長的獨柱墩梁橋，直線橋抗傾覆穩定性較曲線橋差。（3）對比圖8（b）、圖9（b）可知，以公路15規范為基準，獨柱墩梁橋傾覆效應與作用汽車荷載總量成正比例關系。與荷載作用模式關系不大。

圖8 最不利工況時各汽車荷載情況

圖9 最不利工況時各梁端傾覆力矩情況

3 結論

本文結合相關單位對現狀車輛荷載的研究成果，選取廣東省內具有代表性的4個座預應力混凝土獨柱墩橋梁進行傾覆效應分析。得出以下結論及建議：

（1）目前廣東省內高速公路上的汽車荷載普遍大于公路15規范規定的公路-1級車道荷載，其荷載總量相當于公路-1級車道荷載總量的3～4倍。

（2）用公路-1級車道荷載驗算公路獨柱墩梁橋的抗傾覆穩定性，安全度不足。

（3）建議在驗算公路獨柱墩梁橋抗傾覆穩定性時，用公路-1級車道荷載乘以3.4倍的分項系數。

（4）獨柱墩橋梁在使用階段應盡可量避免最不利傾覆工況的出現，避免出現大貨車密集靠邊排隊工況，橋面養護維修時需控制好堆載及施工車輛的靠邊停放。養護維修項目有可能影響結構抗傾覆穩定時，需進行結構的抗傾覆穩定性驗算，制定相應的維修組織方案與應對措施[12]。

[1]萬世成,黃僑.獨柱墩連續梁橋偏載下的抗傾覆穩定性研究綜述[J].中外公路,2015(4):156-161.

[2]林益恭,王強,舒翔.嚴重超載下的高速公路橋梁結構承載力狀況分析[J].中外公路,2009(4):96-100.

[3]廣東省公路勘察規劃設計院股份有限公司.獨柱墩橋梁橫向穩定驗算指導原則及處理措施[Z].2015.

[4]許肇峰,王強,劉仰韶.基于WIM的廣東省公路橋梁車輛荷載模型研究[J].橋梁建設,2012(6):39-44.

[5]劉能文.橋梁汽車活載特征分析與設計值研究[J].城市道橋與防洪,2012(11):134-139.

[6]黨棟.公路橋梁設計荷載及其組合研究[D].陜西西安:長安大學, 2012.

[7]JTJ021-89,公路橋涵設計通用規范[S].

[8]JTG D60-2015,公路橋涵設計通用規范[S].

[9]廣東省交通運輸廳.廣東省公路獨柱墩橋梁設計與整治工程指導意見[Z].2015.

[10]彭衛兵,潘若丹,馬俊,等.獨柱墩梁橋傾覆破壞模式與計算方法研究[J].橋梁建設,2016(2):25-30.

[11]董學智.城市獨柱墩曲線梁橋抗傾覆穩定性分析[D].廣東廣州:廣東工業大學,2015.

[12]李盼到,徐艷玲,栗勇,等.獨柱支承梁式橋傾覆穩定安全系數及抗傾覆措施研究[Z].2013.

U441+.2

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1009-7716（2017）04-0205-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.060

2017-02-08

趙俊程（1990-），男，河南駐馬店人，在讀研究生，從事土木與交通工程研究工作。