道路橋梁抗傾覆設計探討

劉松，董營

（1.濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司，濟南250003 2.山東省路橋集團有限公司，濟南250014）

1 引言

橋梁主要由下部墩柱基礎與上部梁體共同構成。近些年，伴隨城市化進程的提速，道橋工程建設數目增多，規模也不斷增大，人們對道橋工程建設質量越來越重視[1]。抗傾覆設計是保證道橋安全性、穩定性的重要因素之一，故而相關參建單位應該不斷完善抗傾覆設計，提高施工水平，一方面能確保道橋使用的安全性，另一方面也能延長其使用壽命。

2 傾覆臨界狀態和抗傾覆安全系數的內涵

2.1 道橋的臨界狀態

在明確抗傾覆設計對象后，應選用適宜的力學方法與抗傾覆分析法去測評道橋的抗傾覆情況。從宏觀上，傾覆臨界狀態主要有2 種：第一種是支撐梁式橋的邊墩支座處于脫空狀態，而后又衍生出中墩支座轉角超限的狀況，最后造成整個結構連續下傾覆；第二種是中墩支座轉角0.03 rad 及邊墩支座陷入脫空境地中，均可以被看成是道橋傾覆的臨界狀態。大部分情況下，邊墩支座脫空、相應的中墩支座轉角0.03 rad 分別叫作第一、第二傾覆臨界狀態。參照既往有關調研資料，不難發現城市道橋內的直橋、彎橋通常分別被第一、第二傾覆臨界狀態控制。

2.2 道橋抗傾覆安全系數

可以采用式（1）表示道橋抗傾覆安全系數[2]：式中，k為車輛荷載作用下的道橋結構傾覆穩定安全系數；Mcd為在考慮初始傾覆效應后，中墩支座轉角抵達傾斜狀態所形成的抗傾覆效應；Mqc為參照最差布載規則，規范車輛荷載作用下道橋的最差傾覆效應；分別為傾覆臨界狀態、初始狀態結構下的傾覆效應。

參照道橋結構自身效應，應全面考慮橋梁自體重量，混凝土收縮、徐變，預應力荷載等影響因素。在確定抗傾覆安全系數環節中，應重視分析工程實施過程的安全性和穩定性，并考慮工程的經濟性。因道橋抵達傾覆臨界狀態需要歷經一定的過程，只有在對各結構進行全過程分析后方能確定k值。

3 工程概況

對某高速公路獨柱墩橋梁橫向抗傾覆加固項目進行施工建設，全線共設計5 處收費站，全長45.185 km，2014 年10 月底建成并通車，設計時速100 km/h(在2016 年9 月被相關部門批準提速到120 km/h)，雙向6 車道，路基34.0 m，橋涵和路基等寬。

本高速公路共建設了14 座獨柱墩橋梁，都是匝道橋，共計21 聯。歷經前期系統的測評分析后，發現局部獨柱墩橋梁橫向抗傾覆檢測值和現行規范要求之間存在出入，需盡早進行加固施工處理。

利用常規方法測算連續箱橋梁的抗傾覆性能，流程較煩瑣，道橋結構發生傾覆情況概率和旋轉線外弧冊的橋面面積呈正相關性。基于以上原理，參照本工程施工階段支座的設置情況，能夠確定最容易發生傾覆情況的連線為13○號墩柱的外側支座至14○號墩柱外側支座的連線，如圖1 所示[3]。

圖1 最不利傾覆軸線

4 道橋抗傾覆性設計的完善方法

4.1 加強橋寬與邊支座間距比的控制

在道橋設計施工階段，有效控制橋寬和邊支座間距比，能較好地改善橋梁項目的抗傾覆性能，使橋梁投用過程的安全性得到更大保障。參照既往相關調研與分析資料，若道橋的橋寬與邊支座間距比＞2.5，尤其是直橋，其抗傾覆性能處于交叉水平，而安全風險系數偏大。這就預示著在道橋抗傾覆設計階段應對如上問題加以重視，在確保橋梁項目建設質量的基礎上，盡可能地短縮懸臂長度，拓展箱底的寬度，科學設定支座橫向間距值。以上是提升橋梁抗傾覆性能的有效舉措之一。另外，也可以配合使用斷橫梁外伸的方法去降低橋寬與邊支座的間距比。

4.2 固結墩梁和邊支座的設計與控制

道橋項目施工建設階段，施工方應綜合分析主客觀多種因素，對邊支座、橋墩的數目等做出科學設計，加強墩柱結構承載性能指標的檢測，其承載力滿足設計要求時，方能使橋梁的抗傾覆能力得到更大保障。施工階段還需要考慮恒載分配的情況，在采用2～3 個邊支座的橋梁工程中，邊支座通常能產生更大的恒載反力，進而較有效地延緩產生脫空的時間[4]。

已知曲線半徑對橋梁跨徑和邊中跨造成的影響明顯大于支點反力的影響程度，故而結構抗傾覆設計時應對如上問題加以高度重視。大部分工況下，當恒荷載儲備較多的反力時，出現負反力的概率很低，即便有反力出現也均是正反力。鑒于以上情況，在對道橋結構進行抗傾覆設計時，針對容易出現負反力墩臺側，應適度拓展其跨徑，或者采用減小臨近跨徑的辦法，均能取得增加墩臺恒荷載儲備量的效果，減少或規避橋梁投用階段發生傾覆的情況。

整體分析公路道橋結構，不難發現盆式制作能起到較好的橫向束縛作用。故而，在抗傾覆設計測算階段，一定要對支座允許的橫向變形（正常是3.0～4.0 mm）情況給予重視，全面分析并科學釋放這一位移，有益于降低橫向反力。若檢測到支點的橫向反力超出縱向反力10%，在這樣的工況下，施工人員需要隔墩布設盆式支座。如果面對的是柔性結構的連續高墩，那么可以利用墩和梁體相互固結的方法，同時將拉力支座布設在過渡段。

4.3 合理應用防落梁設施

大量工程實踐表明，橋梁防落梁設施在增強道橋抗傾覆能力方面表現出良好的效能。若橋梁項目施工階段能合理使用防落梁設施，那么在發生大型交通事故時，能對橋梁運作過程的常態性能發揮一定的保障作用，較明顯地提升了橋梁的抗傾覆性能，優化項目的施工質量。

在具體施工實踐中，通常要依照橋梁實況確定防落梁的設計移動量，要求防落梁裝置的設計移動量調整過程較便捷[5]。國內簡支橋梁跨度通常是20 m、30 m 與40 m 混凝土梁橋，和剛橋相比較其自重更大，故而要求防落梁裝置要滿足較大的噸位設計要求。

5 結語

總之，做好道橋的抗傾覆設計，是有效保護公路橋梁完整性、確保其投用階段安全性及延長道橋使用年限的有效措施之一。為規避橋梁項目的傾覆失效問題，設計人員應立足于工程實際狀況，綜合分析多種因素，扎實掌握抗傾覆的設計方法，在此基礎上對橋梁結構的抗傾覆進行科學設計，使橋梁的應用安全性和穩定性得到更大保障，為社會經濟發展做出更大貢獻。