獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆因素研究

林孔斌

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，福州 350108)

在城市公路橋梁及高速公路橋梁建設(shè)過程中， 由于受地形、地物、占地面積和城市景觀等影響，出現(xiàn)了大量獨(dú)柱墩支撐的橋梁。然而，獨(dú)柱墩支撐的橋梁，相比雙柱、多柱支撐的橋梁，其橫向穩(wěn)定性不足逐漸暴露出來。近幾年發(fā)生的橋梁垮塌事故如無錫市312 國道錫港路上垮橋、津晉高速公路港塘收費(fèi)站匝道橋、浙江上虞立交橋事故等， 均為超載車輛偏載引起的獨(dú)柱墩橋梁垮塌的重大安全事故。 本文針對獨(dú)柱墩橋梁的橫向穩(wěn)定性問題進(jìn)行研究， 希望能給預(yù)防獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆問題帶來一定的借鑒意義。

1 橋梁傾覆破壞特征研究

事故橋梁的基本特征為：上部結(jié)構(gòu)采用整體式箱梁，結(jié)構(gòu)體系為連續(xù)梁，跨中橋墩全部或部分采用單支座，橋臺或過渡墩采用雙支座或三支座(圖1)。

圖1 事故橋梁的典型形式

事故橋梁的破壞過程表現(xiàn)為單向受壓支座脫離正常受壓狀態(tài)，上部結(jié)構(gòu)的支承體系不再提供有效約束，上部結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形趨于發(fā)散、橫向失穩(wěn)垮塌，支座、下部結(jié)構(gòu)連帶損壞，如圖2 所示。

傾覆過程存在2 個(gè)明確特征狀態(tài)(圖3)：(1)特征狀態(tài)1，箱梁的單向受壓支座開始脫離受壓；(2)特征狀態(tài)2，箱梁的抗扭支承全部失效。

圖2 典型破壞過程

圖3 箱梁橋達(dá)到特征狀態(tài)2 的過程示意

2 橋梁傾覆驗(yàn)算規(guī)定

2018 年之前，我國公路及城市橋梁設(shè)計(jì)者對于橋梁上部結(jié)構(gòu)的縱向承載能力極限狀態(tài)、 正常使用極限狀態(tài)下的剛度及強(qiáng)度問題關(guān)注較多， 但對橋梁上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力往往重視不夠。 中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司作為主編單位對 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62-2004)進(jìn)行修訂，修訂后的《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362-2018)對橫向抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行了規(guī)定[1]：持久狀況下，梁橋不應(yīng)發(fā)生結(jié)構(gòu)體系改變，并應(yīng)同時(shí)滿足下列規(guī)定：

(1)在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)。

(2)按作用標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行組合時(shí)，整體式截面簡支梁和連續(xù)梁的作用效應(yīng)應(yīng)符合下式要求：

式中，kqf為橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；

∑Sbk，i為使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；

∑Ssk，i為使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的效應(yīng)設(shè)計(jì)值。

為了方便橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算，式(1)又可以等效于式(2)：

式中：RGi為成橋狀態(tài)時(shí)各個(gè)支座的支反力(kN)；xi為各個(gè)支座到傾覆軸線的垂直距離(m)；μ 為沖擊系數(shù)；qk為車道荷載中均布荷載(kN/m)；Pk為車道荷載中集中荷載(kN)；e 為橫向最不利車道位置到傾覆軸線的垂直距離(m)；Ω 為傾覆軸線與橫向加載車道圍成的面積(m2)。

3 橋梁抗傾覆的主要因素

本文以某一工程實(shí)例為基礎(chǔ)：(32+31+30)m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，橋?qū)?.5 m，曲線半徑R=65 m，中墩為獨(dú)柱墩，邊墩設(shè)置雙支座，支座間距為3 m(其MIDAS 三維模型如圖4 所示)。 在此基礎(chǔ)上，考慮分別設(shè)置不同的曲線半徑、支座間距及容重等，對其橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行研究，得到相關(guān)因素與橋梁抗傾覆的關(guān)系。

圖4 MIDAS 三維模型

(1)曲線半徑

分別考慮設(shè)置不同的曲線半徑：R=65 m、R=100 m、R=500 m、R=1000 m，得到不同曲線半徑橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，如圖5 所示：

圖5 不同曲線半徑橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

圖6 為不同的曲線半徑，(32+31+30)m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的傾覆軸線變化。

圖6 (32+31+30)m 彎橋傾覆軸線隨平面曲線半徑變化示意圖

由圖5～圖6 可知， 當(dāng)平面曲線半徑R 由小變大時(shí)，橋梁傾覆軸線由橋墩向橋臺過渡， 當(dāng)處于臨界狀態(tài)時(shí)(500 m＜R＜1000 m)，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)最小。 因此，在其它條件不變時(shí)， 連續(xù)箱梁橋橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨平面曲線半徑增大呈先減小后增加的過程， 即橋梁平面曲線的設(shè)置使相關(guān)支座遠(yuǎn)離傾覆軸線， 即全橋遠(yuǎn)離傾覆軸線處于由橋墩向橋臺過渡的臨界狀態(tài)時(shí)， 該連續(xù)梁橋的橫向抗傾覆能力是相對較強(qiáng)的。

(2)聯(lián)端支座間距的影響

分別考慮設(shè)置不同的聯(lián)端支座間距：3 m、2.8 m、2.6 m、2.4 m，得到不同聯(lián)端支座間距橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，如圖7 所示。

圖7 不同聯(lián)端支座間距橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

由圖7 可知， 橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨著聯(lián)端支座間距的減小而減小。由此可知，橋梁的最外側(cè)支座間的間距越小，橋梁的懸挑長度則越長，彎橋在活載偏載作用下，內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)脫空的可能性越高，橋梁的橫向抗傾覆能力則越弱。

(3)上部結(jié)構(gòu)恒載

分別考慮設(shè)置不同的容重：21 kN/m3、23 kN/m3、25 kN/m3(實(shí)際容重)、27 kN/m3，得到不同容重橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，如圖8 所示。

圖8 不同容重橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

由圖8 可知， 橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨著容重的增大而增大。 因此，在其它條件不變時(shí)，選擇容重更大的混凝土梁，與鋼箱梁或鋼混組合梁相比，其橫向抗傾覆能力則相對較強(qiáng)。

(4)獨(dú)柱墩預(yù)偏心

1-1、2-1 支座處獨(dú)柱墩分別考慮設(shè)置不同的往曲線外側(cè)的預(yù)偏心：0 cm、20 cm、40 cm、60 cm， 得到不同預(yù)偏心橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，如圖9 所示。

圖9 不同預(yù)偏心橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

由圖9 可知， 橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨著獨(dú)柱墩往曲線外側(cè)設(shè)置預(yù)偏心的增大而增大。 對于獨(dú)柱墩式曲線梁橋，中墩支座設(shè)置合理的偏心距，相當(dāng)于在中支點(diǎn)處施加集中扭矩，人為的調(diào)整梁內(nèi)的扭矩分布，使得橋梁縱向扭矩的分布趨于均勻，減小端支點(diǎn)控制截面的扭矩，對改善支座受力性能和提高橋梁的橫向穩(wěn)定性作用是明顯的[2]。因此，對于必須設(shè)置獨(dú)柱墩的連續(xù)梁橋，可以考慮設(shè)置適當(dāng)?shù)念A(yù)偏心值，加強(qiáng)其橫向抗傾覆能力。

(5)橋墩形式

將1-1、2-1 單支座改為雙支座， 支座布置形式同邊墩支座，支座間距為3 m，調(diào)整獨(dú)柱墩的單支座布置形式為雙支座后，得到橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，其對比結(jié)果見表1。

表1 中墩單雙支座橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)對比

由表1 可知，中墩由單支座調(diào)整為雙支座后，橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)增大明顯，其橫向抗傾覆能力顯著增強(qiáng)。因此，為了防止連續(xù)梁橋的傾覆，在有條件的地方，應(yīng)盡可能選擇花瓶墩或獨(dú)柱墩加蓋梁等可設(shè)置多支座的墩型。

(6)超載

前述諸因素的橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)研究， 考慮的均是《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)[3]中的公路—Ⅰ級車道荷載均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值qk=10.5 kN/m 和集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值Pk。部分橋梁在規(guī)范荷載規(guī)定值下，橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求，但實(shí)際卻發(fā)生了橋梁垮塌事故，究其原因，主要是由于超載車輛偏載引起的，對本文所述的幾例發(fā)生橋梁垮塌事故超載汽車進(jìn)行分析[4]，結(jié)果如表2所示。

由表2 可知， 引起橋梁傾覆事故汽車荷載的折算線集度為40～50 kN/m， 為公路15 規(guī)范車道荷載均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值的3～5 倍， 大于橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)要求的最小值2.5。因此，超載在橋梁傾覆安全事故中起誘發(fā)因素，管理部門應(yīng)該加強(qiáng)對超載車輛的管理， 加大處罰力度和措施，避免再次出現(xiàn)因?yàn)槠嚦d引起橋梁垮塌事故。

4 既有橋梁防傾覆加固設(shè)計(jì)

對于有傾覆風(fēng)險(xiǎn)的既有橋梁， 應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)的加固措施，防止傾覆事故的發(fā)生，主要有以下幾個(gè)技術(shù)對策[5]。

(1)箱梁橫向?qū)挾容^大，支座間距較小情況，可采取用增加抗傾覆拉桿方案(圖10)予以處理。

圖10 增加抗傾覆拉桿

(2)對于獨(dú)柱墩單支座箱梁，或獨(dú)柱墩雙支座但支座間距較小箱梁，可采用新增拉拔裝置方案(圖11)，或采用新增蓋梁方案(圖12)。

圖11 新增抗拔裝置

圖12 新增蓋梁

(3)有些獨(dú)柱墩橋梁，經(jīng)驗(yàn)算，抗傾覆穩(wěn)性相差較多時(shí)，可采用新增墩柱加固方法。根據(jù)實(shí)際情況可采用新增樁基、承臺和墩柱的方式(圖13(a))，若原承臺較寬，經(jīng)計(jì)算可以滿足橫向穩(wěn)定性， 可在原承臺上新增墩柱(圖13(b))。

本文僅列出了幾種典型情況的橋梁防傾覆加固處理對策，實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)具體問題具體分析，整體考慮各方面的影響，選擇合適有效的防傾覆處理方案。

圖13 新增墩柱

5 結(jié)論

橋梁傾覆破壞為瞬時(shí)行為，類似于結(jié)構(gòu)“脆性”破壞，防范困難、經(jīng)濟(jì)損失大，且會造成非常惡劣的社會影響，應(yīng)引起從業(yè)人員的高度重視。 本文通過對獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆研究得出以下結(jié)論及建議：

(1)為防止橋梁的傾覆，橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮設(shè)置多支座的墩型，同時(shí)盡可能拉大支座間距；對于沒有條件設(shè)置多支座墩型的橋梁， 可以考慮設(shè)置合理的支座預(yù)偏心。支座布置需結(jié)合平面曲線半徑綜合考慮，使各支座盡量遠(yuǎn)離傾覆軸線，增大橋梁的橫向抗傾覆系數(shù)。鋼箱梁或鋼混組合梁等容重相對較小的橋型， 需要特別注意橋梁的抗傾覆問題。

(2)汽車超載已經(jīng)成為使橋梁傾覆垮塌最嚴(yán)重的問題，橋梁都是依據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)的，用無限制的提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來解決汽車超載所帶來的影響是不合理也是不經(jīng)濟(jì)的。相關(guān)管理部門要嚴(yán)格限制超載、超限車輛的通行，應(yīng)嚴(yán)格控制貨車的排隊(duì)間距，避免橫向傾覆效應(yīng)超越規(guī)范荷載，從而減少對橋梁結(jié)構(gòu)安全造成不利影響。

(3)既有傾覆風(fēng)險(xiǎn)橋梁的加固改造，是一件十分必要且緊迫的任務(wù)。 橋梁防傾覆加固設(shè)計(jì)需要綜合考慮上下部結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定，不能為了確保上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆，而將風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)的破壞。