橋梁橫向傾覆穩定性及加固效果對比研究

劉凱波

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢 430063)

近年來，隨著國家經濟的發展，城市交通量逐年增長，車輛超載超限現象明顯。另一方面，由于部分橋梁修建年代較為久遠，設計時考慮的交通量不足，造成部分橋梁發生傾覆事故的概率增加，橋梁的橫向穩定性問題日益突出[1-3]。2007年包頭市民族東路高架側傾(主線)；2009年津晉高速匝道橋側傾；2010年南京市內環高架匝道施工中發生側傾；2011年上虞市春暉互通立交匝道側傾；2012年哈爾濱市陽明灘大橋匝道橋側傾；2015年贛粵高速河源出口匝道橋側傾；2019年10月10日，江蘇無錫312國道橋梁發生傾覆事故，造成3人死亡，2人受傷。后經調查組調查分析，認為事故系運輸車輛嚴重超載所致。盡管專家組對橋梁的設計、施工并未提出質疑，但民眾對獨柱墩的安全性仍存有疑問[4]。

本文根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》正式稿及征求意見稿中對結構橫向穩定的計算方法及要求進行研究，分析2種計算方法的原理，采用案例分析2種算法的計算結果差異。

1 橋梁傾覆原理研究

現行橋梁橫向穩定要求及指標出自JTG 3362-2018 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(以下簡稱《規范》)[5]，在此之前曾有過一版征求意見稿，二者對傾覆問題的規定相差較大。

1.1 征求意見稿中對橋梁傾覆問題的規定

《規范》征求意見稿中規定，橋梁傾覆失效荷載及穩定荷載效應應采用傾覆軸的方式進行計算，扭轉軸示意見圖1。

圖1 《規范》征求意見稿中扭轉軸示意圖

該稿假設橋梁發生傾覆時為沿著1條傾覆軸轉動，當失效荷載大于穩定荷載時結構發生傾覆失效，與正式稿相同，為保證一定安全余量，穩定荷載效應與失效荷載效應的比值應大于2.5。這種假設即認為橋梁在重車荷載下壓翻，類似于蹺蹺板原理，屬于純穩定問題[6-7]。在計算時按照以下步驟進行。

1) 根據橋梁類型及支座布置形式，確定傾覆軸。

2) 分別計算橋梁在重力及移動荷載下的支座反力，需要注意的是在計算移動荷載下支座反力時，需采用并發反力值。

3) 根據橋梁各支座距離傾覆軸的距離分別計算失穩荷載效應及穩定效應，從而計算結構的橫向穩定系數。

(1)

式中：γqf為結構的穩定系數，《規范》征求意見稿規定；γqf應大于2.5；Sbk為結構的穩定效應值；Ssk為結構的失穩效應值；RGi為結構在自重(包含結構重力，二期鋪裝及橋梁附屬設施等產生的重力)下第i個支座的反力值；xi為第i個支座距傾覆軸的偏心距；μ為結構的沖擊系數；qk為橋梁所受車輛荷載中的均布力；Ω為傾覆軸與橋梁邊緣圍成區域的面積；Pk為橋梁所受車輛荷載中的集中力；e為集中力與傾覆軸之間的距離。

由式(1)可見，征求意見稿件，結構的失穩是由于橋梁結構以最外側2個支座連接線形成的傾覆軸為分界線，左右兩側的集中力及分布力對此軸的力偶不平衡造成傾覆。且認為橋梁上部結構本身不發生任何形變。

1.2 《規范》正式稿下結構傾覆的原理

發行實施的《規范》正式稿對橋梁傾覆的穩定性系數未做改變，但失效及穩定效應的計算方法與征求意見稿變化較大。

在正式稿中，認為橋梁發生傾覆是由于結構失效效應對結構的扭轉軸的扭矩大于穩定效應對扭轉軸的扭矩，從而發生扭轉傾覆。而與征求意見稿的傾覆軸不同，該扭轉軸是根據橋梁每個橋墩的最外側支座確定，而非1條直線。

失效支座的規定是在臨界傾覆狀態下，同一排橋墩上的支座，曲線半徑最外側為有效支座，其他同排的為失效支座，當某一跨僅有1個支座時，視為有效支座。傾覆計算受力示意見圖2。

圖2 《規范》正式稿中扭轉軸示意圖

正式稿不再分別計算移動荷載中集中力和均布力對扭轉軸的力偶，而是分別計算每個支座的安全系數，對后續的加固設計更具指導意義。

2 案例分析

2.1 橋梁概況

某互通匝道橋為預應力鋼筋混凝土結構，截面采用箱形形式，跨徑組合為28 m+36 m+28 m，平面位于R=120 m的圓曲線上。墩柱布置：0號臺、1號、3號墩采用雙支承，支座間距4.82 m；2號墩為獨柱單支承。

采用midas Civil建立結構有限元模型見圖3。

圖3 橋梁有限元模型

2.2 采用征求意見稿計算結構的抗傾覆性

由于正式稿和征求意見稿中對狀態1即支座是否脫空的規定相同，即在重力荷載和1.4倍移動荷載作用下，支座不能發生脫空情況，故不對該狀態進行比較，只對比特征狀態2下的傾覆驗算，計算結果見表1。

表1 成橋狀態支座反力及其到傾覆軸線的垂直距離

由上述各參數，得出抗傾覆安全系數

橋梁整體抗傾覆系數大于2.5，滿足《規范》要求，且具有較大富余。

2.3 采用正式稿中的計算方法計算傾覆穩定性

本聯箱梁位于曲線上，按 《規范》第4.1.8 條規定，特征狀態2下箱梁傾覆驗算計算過程見表2。

表2 《規范》計算結構抗傾覆效應 kN·m

由表2計算結果，得出抗傾覆安全系數

由以上各支座抗傾覆系數可見，3個失效支座的穩定系數均大于2.5，滿足《規范》的要求。

與征求意見稿不同，正式稿中分別給出了3個失效支座的安全系數，可以看出1-a號支座的抗傾覆系數與征求意見稿相近，而2-a號支座的抗傾覆系數明顯較征求意見稿的計算結果小，表明此支座更加危險，且未在征求意見稿中體現，存在一定安全隱患，即總體抗傾覆系數滿足要求，但單個支座不滿足要求。

3 加固效果研究

當結構抗傾覆性能不滿足《規范》要求，或則當抗傾覆能力富余量較小時，對結構進行抗傾覆加固是較為經濟的一種選擇。常見的加固選擇方案[8-9]見圖4。

圖4 抗傾覆加固常用方式

加固的目的主要是增加穩定效應中失效支座與有效支座的距離。目前較為經濟有效的方案是對橋墩進行加固。方案一為在加固后的橋墩上增加1個支座，(3號墩處增加1個支座，支座布置同其他橋墩支座)，改變之前單支座受力不利的狀況。方案二為在滿足帽梁受力性能的基礎上，移動支座，增加同一跨支座間的距離(將2號橋墩支座間距由4.82 m調整為8 m)，對結構承受偏載壓力亦有有利影響。為對比2種加固方式的加固效果，分別建立了2種狀況下的有限元模型(見圖5)，然后計算其抗傾覆系數。

圖5 不同加固方式的有限元模型

對以上2種加固方式進行計算，計算方式均采用正式稿中規定的扭轉失效。對狀態2的抗傾覆系數統計見表3。

表3 不同加固方式下的抗傾覆系數

由表3可見，在單支座處增加1個支座可以明顯改善之前安全富余度較低的2號墩支座，且對其他支座安全性具有一定的提高效果，增加支座間距，對2號墩支座抗傾覆系數的提高效果更為明顯，但對其他支座的提高程度不如方式一的加固效果好。

4 結語

本文對2種版本中抗傾覆系數的計算原理及不同加固效果進行了研究，研究結果表明，在征求意見稿中，傾覆軸為一直線，橫向失穩屬于類似蹺蹺板的直接壓翻，而正式稿中則為繞最不利軸的扭轉失效，且最不利軸不再限定為直線，而是根據橋梁的具體支座布置形式確定。

征求意見稿給出了整橋的抗傾覆系數，而正式稿則提供了單個支座的抗傾覆系數，且單個支座的橫向穩定性可能較整體穩定性差，因此，正式稿的驗算方法偏更安全，且可為結構的后續抗傾覆加固提供參考。