公路與城市道路橋梁抗傾覆設計

段丹妮

摘? 要：橋梁在公路中具有不可替代的作用，通過對橋梁結構進行抗傾覆設計，除了能夠提高橋梁的整體安全性和穩定性之外，還能避免重大安全事故的發生。文章從橋梁橫向傾覆失效的機理分析入手，依托工程實例，詳細論述了公路與城市道路橋梁抗傾覆設計方法，期望能夠對促進橋梁抗傾覆設計水平的提升有所幫助。

關鍵詞：公路;橋梁;抗傾覆設計

中圖分類號：U442 ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）34-0076-02

Abstract： Bridge plays an irreplaceable role in highway. The anti-overturning design of bridge structure， in addition to improving the overall safety and stability of the bridge， can also help avoid the occurrence of major safety accidents. Starting from the mechanism analysis of bridge lateral overturning failure， relying on engineering examples， this paper discusses the anti overturning design methods of highway and urban road bridges in detail， hoping to be helpful to promote the level of bridge anti overturning design.

Keywords： highway; bridge; anti overturning design

在公路和城市道路工程中，橋梁是較為重要的組成部分之一，橋梁主要由下部墩柱基礎和上部梁體構成。為確保橋梁結構的安全性和穩定性，應當在橋梁工程建設中，對抗傾覆設計予以重點考慮，并對抗傾覆穩定性系數進行合理取值。

1 橋梁橫向傾覆失效的機理

1.1 內在因素的影響

橋梁設計重視豎向平面內抗彎和抗剪性能設計，經常忽視橋梁橫向穩定性問題，使得橋梁設計出現構造不合理。受橋梁本身構造不合理的內在因素影響，若橋梁長期受到極端荷載的作用，則會使橋梁發生橫向轉動，如圖1所示。橋梁抗傾覆設計重點為橋梁是否為獨柱墩型設計，以及端支座的位置設計。對于獨柱墩橋梁而言，橋梁橫向支撐位置設計不當，主要表現為橋梁橋面寬度過大造成橫向傾覆失效。如，曲線橋梁受彎扭耦合效應的作用，內側支座容易出現脫空，導致橋梁橫向傾覆;直線橋梁最外側支座連線即為橋梁橫向傾覆軸，當最外側支座位置設計不合理時，則會影響橋梁抗傾覆的穩定性。

1.2 外在因素的影響

引發橋梁橫向傾覆的主要外在因素是車輛通行產生的荷載作用，若車輛長時間且大量集中在外側車道通行，則會增加橋梁傾覆風險。據調查結果顯示，多輛超載重載車輛同時行駛于外側車道上是引發橋梁橫向傾覆倒塌的重要因素，比如哈爾濱陽明灘大橋和無錫高架橋傾覆坍塌，造成多人傷亡，給人民的生命安全帶來極大的危害。橋梁傾覆系數是抵抗彎矩與傾覆彎矩之比，其中抵抗彎矩是梁體恒載作用下對傾覆軸的穩定力矩，傾覆彎矩是在活荷載作用下引起傾覆的彎矩和。在抗傾覆設計中，按規范規定，在結構體系不發生改變的前提下，同時滿足支座不脫空和橋梁傾覆系數不小于2.5。

2 公路與城市道路橋梁抗傾覆設計方法

2.1 工程概況

某公路項目中的一座高架橋，主線為連續箱梁，跨度30m，最大和最小橋寬分別為20.5m和13m，匝道橋位于曲線段上。因該工程所在地對橋梁景觀的要求比較高，所以經方案比選之后，最終主線橋與匝道橋全部采用大懸臂斜腹板箱梁和直立式啞鈴型實體薄壁墩。由于受到橋墩橫向寬度的限制，加之匝道橋位于曲線之上，使得抗傾覆成為該橋梁設計的重點環節。應當在保證結構安全性、經濟性和美觀性的前提下，提出科學合理、切實可行的抗傾覆設計方案。

2.2 設計思路

橋梁結構抗傾覆設計中，應當對相關尺寸進行初步擬定，如橋墩橫向寬度，需要重點考慮的因素包括橋寬與墩寬的協調性、箱梁橫向抗傾覆穩定性等。具體擬定的過程中，充分考慮對橫向抗傾覆不利的汽車荷載工況，進行有限元計算，分別計算出恒荷載作用下的穩定效應和汽車荷載作用下失穩效應，得到能夠滿足橫向抗傾覆穩定系數超過2.5的橫向支點的最小間距，在此基礎上，以支座的布設空間為前提條件，對橋墩的最小橫向寬度進行合理確定。

2.3 抗傾覆計算

在本工程中，對橋梁結構進行抗傾覆設計時，應當對支座反力及上部結構的抗傾覆穩定系數進行驗算，具體如下：

對于直線橋而言，其傾覆旋轉軸是所有外側支點在縱向上的連線，而曲線橋與直線橋則存在一定的差別，它的支點連線位于弧線之上。所以在設計計算時，需要找到最不利的傾覆旋轉軸。采用常規的方法對連續箱梁橋進行抗傾覆計算，步驟比較繁瑣，其實在旋轉線外弧側的橋面面積越大，橋梁結構發生傾覆的可能性就越高。當這個面積達到一定程度時，橋梁將會100%出現傾覆。基于以上原理，按照本工程支座的布設詳情，可以確定最容易發生傾覆的連線是13#墩柱的外側支座到14#墩柱外側支座的連線，如圖2所示。

當箱梁處于即將傾覆的階段時，只有13#和14#橋墩的外側支座受力，此時的計算模型僅對這兩個支座進行保存即可。由傾覆的實際過程可以獲悉其產生的原因，即向圓弧內外兩側的扭矩出現明顯的差異。因此，可以在支座連線的中間位置處施加一個抗扭約束，并以支座連線作為坐標系中的X軸，然后依托雙重荷載下的扭矩，便可快速計算出橋梁結構的抗傾覆力矩，這樣便能夠獲得穩定系數，據此對橋梁結構進行抗傾覆設計。

依據計算結果可知，本工程橋梁結構在直線段上的抗傾覆穩定系數取值范圍為不小于2.5;在曲線段上，取值范圍為4.0-15.0，這個取值范圍能夠滿足抗傾覆穩定性要求，從而確保橋梁結構的整體安全性。

2.4 抗傾覆設計體會

（1）對于橋梁結構而言，影響抗傾覆和各個支點反力的主要因素為支點本身的橫向間隔距離。通過本次抗傾覆設計，在計算中發現，每個支點只會對自身的反力產生較大的影響，但卻并不會影響到其它的支點反力。鑒于此，在公路橋梁抗傾覆設計中，可以采用以下墩柱形式來拉開各個支點之間的橫向距離：T型墩柱、Y型墩柱、門式墩以及雙柱墩等。

（2）當橋梁結構的橫向間距受到限制，此時產生的反力可能為負值，即負反力。針對該情況，在進行抗傾覆設計時，連續墩柱可以采用設置偏心獨立支座的方法。如果是柔性結構的連續高墩，那么可以采用墩與梁體相互固結的方式，并在過渡段設置拉力支座。

（3）通常情況下，箱梁內側與外側的反力應當保持均勻一致，但是曲線半徑會對箱梁反力產生一定的影響，從而導致內外側的反力不均勻，由此會增大箱梁向外弧側傾覆的可能性。因此，支點應當向外側設置偏心，以反力均衡作為原則，在充分考慮偏心彎矩的基礎上，對預應力鋼束進行合理布設。

（4）曲線半徑對橋梁跨徑與邊中跨的影響要遠遠超過對支點反力的影響，所以必須在抗傾覆設計中加以重視。通常情況下，恒荷載的反力儲備比較多時，負反力出現的可能性非常小，即便有反力出現也都是正反力。故此，在對橋梁結構進行抗傾覆設計時，應適當加大容易出現負反力墩臺側的跨徑，也可以減小相鄰跨徑，借此來增加墩臺的恒荷載儲備，避免發生傾覆。

（5）在橋梁結構中，盆式支座具有橫向約束作用。因此，在抗傾覆設計計算時，應充分考慮支座允許的橫向變形（正常為3.0-4.0mm），通過對這個位移的合理釋放，能夠減少橫向反力。如果支點的橫向反力超過豎向反力10%以上，那么應當隔墩設置盆式支座。

3 結束語

綜上所述，公路橋梁工程中，抗傾覆設計既是重點也是難點，為避免橋梁發生傾覆失效的問題，設計人員應當掌握抗傾覆設計方法，并結合實際工程，對橋梁結構抗傾覆進行合理設計，保證橋梁的安全性與穩定性。

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