淺析獨柱曲線梁橋穩定性及抗傾覆對策

王紫玉

（北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京市 100082）

0 引言

伴隨國民經濟的發展和綜合國力的提升，我國城市建設進入一個新的紀元。為更好適應行車要求、節約建設用地，在市政和公路立交中建設了眾多大曲率定向、轉向匝道，曲線梁橋結構得到了廣泛的應用。設計人員一般更注重構件強度的設計，而忽視支承體系的合理性。因此，本文通過對獨柱曲線梁橋受力特點和病害形態的分析，結合具體算例，總結出影響獨柱曲線梁橋穩定的因素，并提出相應的解決對策，從而為今后此類橋梁的設計提供一些參考和借鑒。

1 影響曲線梁橋穩定的潛在因素

近年來，橋梁失穩傾覆的現象頻發，逐步引發社會的關注。曲線梁橋作為受力較復雜的一類橋梁，其穩定性問題顯得更突出。在了解橋梁結構受力特點的前提下，把握結構強度和剛度的同時，還應構建一個良好的運營環境，保證結構整體可以在一個穩定的狀態下正常工作。

1.1 結構受力特點存在安全隱患

（1）對于曲線梁橋，其變形表現為彎曲和扭轉的疊加。在均布荷載作用下，彎橋在撓度和內力分配上，均是外邊緣大于內邊緣。這一特征隨著曲率半徑的減少而更加明顯，因此對于小半徑曲線橋梁，在結構設計伊始，內外腹板的受力狀態便存在較大差異。

（2）曲線梁橋的支承反力也呈現出外梁變大、內梁變小的傾向。尤其是曲率半徑小、靜荷載比較小時，內側支座更易“脫空”或出現負反力。此特點在連續曲線梁中越發突出。

（3）曲線梁橋的預應力效應對反力分配影響較大，在計算時不可忽視。

1.2 設計時并未引起足夠的重視

部分設計人員更加看重上部結構的自身強度，至多為超載情況預留一定的安全儲備，而忽視了結構的穩定性，缺乏對其空間性能的深入了解，在設計階段就埋下了安全隱患。

1.3 超載的外因突顯結構隱患

雖然交通運輸業在不斷發展，運輸的形式也變得多元化，但是車輛陸運仍舊以其“點對點”的特性，占有極高比重和地位。而在經濟利益的驅使下，超載現象頻發，并成為設計人員的“噩夢”。經分析，大部分的現狀橋梁傾覆事件，罪魁禍首基本上是超載車輛，對其進行合理限制，已經成為避免傾覆事故的重中之重。

2 曲線梁橋的失穩病害并究其成因

近些年，曲線梁橋事故頻發。究其原因，還是穩定性問題。各種病害發生后，并未真正得到重視，久而久之，導致了結構的失穩破壞。

2.1 “爬移”現象

“爬移” 現象指曲線梁橋在運營過程中會出現縱向及側向變位，并在長期反復的作用下不斷地積累，造成梁體的“爬移”，從而導致支承體系的改變，以及伸縮縫等附屬結構的破壞，如圖1、圖2 所示。造成其位移發生的主要外部因素包括溫度荷載、預應力荷載、收縮徐變和汽車荷載（離心力和制動力）等[1]。

圖1 縱向“爬移”

圖2 側向“爬移”

2.2 支座“脫空”

其主要表現為在車輛荷載和溫度荷載的作用下，內側支座“脫空”，造成原有的支承體系失效，新形成的支承體系在外荷載的作用下超負荷工作。造成內側支座“脫空”的主要原因有支承體系的抗扭剛度不足、結構扭矩分布不合理，以及未設置拉力支座等。

2.3 支座“拉裂”

部分建成已久的橋梁，其中墩獨柱支承采用橡膠支座，在溫度荷載的作用下，梁體結構發生徑向變位，橡膠支座在剪切作用下發生環向開裂而失效。

2.4 拉力支座破壞

計算手段的局限性和工況模擬的不周全，導致在橋梁設計時，雖然考慮到了曲線內側支座的 “脫空”效應而設置了拉力支座，但其拉力設計值與實際值相差較大、選用支座的不合理，最終發生了拉力支座的失效破壞。

2.5 翻轉落梁

翻轉落梁是整個支承體系超過了抗傾覆的臨界點，橋梁發生了失穩的破壞，如圖3、圖4 所示。其原因多是超載車輛的偏載作用。除此之外，固結墩體系的自身強度不足，也有可能是發生落梁的原因之一。

圖3 直線橋落梁

圖4 曲線橋落梁

獨柱曲線梁橋發生傾覆的主要原因是梁體在外部荷載作用下，超過了梁體自身的抗傾覆力矩。通常其過程可分為以下3 個階段：

（1）當車輛荷載較小，其產生的傾覆力矩小于結構的抗傾覆力矩。此時各個支座正常工作，均未出現負反力，梁體處于穩定狀態。

（2）隨著荷載的增大，內側支座出現了“脫空”等病害現象，支承體系隨即發生變化，傾覆力矩與抗傾覆力矩相等。此時處于臨界狀態。

（3）荷載繼續增大，傾覆力矩超過了抗傾覆力矩，此時結構發生失穩落梁。

因此，重視曲線梁橋的病害顯現、分析病害誘因，將其遏制在萌芽狀態顯得尤為重要。配合全壽命周期，為曲線梁橋建立良好的健康檔案、定期觀測其位移量和反力變化，將大大有利于對橋梁穩定性的把控。

3 曲線梁橋傾覆軸的確定原則

研究結構的穩定性，最重要的一點是要根據支承體系確定結構的傾覆軸，根據自重、預應力和汽車荷載對傾覆軸的力矩大小確定結構的抗傾覆系數。因此，傾覆軸的確定是研究傾覆問題的關鍵所在。

傾覆軸應為“未脫空”的兩支座的連線，其位置與支座的空間布置和箱梁半徑有關，并遵循下列原則：

（1）當整個支承體系的全部支座均位于最外側支座的連線以內時，傾覆軸線為外側支座連線，如圖5 所示。

圖5 直線橋傾覆軸線

（2）當跨中的所有支座位于外側支座連線以外時，傾覆軸線取為一外側支座與跨中支座的連線或跨中支座之間的連線，如圖6 所示。

圖6 曲線橋傾覆軸線

（3）同一座曲線梁橋的傾覆軸有可能不止一條，在進行抗傾覆分析時，需進行多工況的計算，從而選定最不利的傾覆軸。

4 計算分析

4.1 建立模型

以某工程三跨曲線梁橋為例，采用Midas Civil計算程序建模，重點考查預應力效應和自重效應等主要因素對結構產生的影響。同時，分析在活載效應下是否有加速結構傾覆的趨勢，具體模型如圖7、圖8 所示。

圖7 桿系模型

圖8 桿系消隱模型

模型邊墩采用抗扭性能較好的雙支承，中墩采用多種支承計算比對，具體形式見表1。

表1 模型參數

4.2 結果分析

（1）方案一，傾覆軸如圖9 所示。

圖9 方案一傾覆軸示意圖

按照最不利荷載位置加載，曲線內側支座出現了支座“脫空”。此時結構根據兩條傾覆軸得到的抗傾覆系數分別為：K1=47.7、K2=15.1，此橋的抗傾覆系數為15.1＞2.5(規范值)。

（2）方案二，傾覆軸如圖10 所示。

圖10 方案二傾覆軸示意圖

按照最不利荷載位置加載，曲線內側支座仍出現了支座脫空，但其數值較小。此時結構根據三條傾覆軸得到的抗傾覆系數分別為：K1=48.4、K2=23.2、K3=85.0，此橋的抗傾覆系數為23.2＞2.5(規范值)。

（3）方案三，傾覆軸如圖11 所示。

圖11 方案三傾覆軸示意圖

按照最不利荷載位置加載下，曲線內側支座并未出現支座“脫空”。此時結構根據兩條傾覆軸得到的抗傾覆系數分別為：K1=84.9、K2=36.6，此橋的抗傾覆系數為36.6＞2.5（規范值）。

通過計算分析，預應力效應、溫度梯度效應和活載效應對曲線橋梁影響較大，在建模和分析中不可忽視。本例具有橋寬較寬、支承間距較小的特點，所以支座的反力在活載作用下顯得十分敏感。實際設計時，推薦采用方案三的支承形式，以曲線內側支座不出現負反力為控制原則，在中墩設置抗扭支承的雙支座。

4.3 模型對比

考慮到不同的建模方式對結構受力的影響，本文根據方案三的支承條件，采用空間桿系單元和空間梁格單元兩種方式進行驗證，如圖12、圖13 所示。

圖12 梁格模型

圖13 梁格消隱模型

經過對比，通過梁格模型計算得到的結果比桿系模型不均勻性表現得更明顯。所以，計算小半徑曲線梁橋時，建議采用梁格模型；計算大半徑曲線梁橋及直線梁橋時，可采用簡化的桿系模型，從而提高計算的效率。

綜上所述，對于獨柱曲線梁橋，通過建立合理的空間計算模型，并運用穩定性理論和相關的抗傾覆系數計算公式，能夠直觀地把握各個支承體系下的結構安全狀況。

5 曲線梁橋抗傾覆對策

雖然獨柱曲線梁橋的穩定性受到諸多因素的影響，但可以根據工程經驗和設計驗算制定多種對策，從其設計伊始，為其打造具有良好穩定性的結構體系。

5.1 合理穩定的支承體系加大抗扭能力

（1）除在梁端設置抗扭支承外，在中墩盡量采用固結或雙支承等抗扭支承形式，以加大結構自身的抗扭性能，提高其穩定性。

（2）在條件允許的情況下，可以將橫梁外延而加大支承間距，增大橋寬與邊支座間距比，從而降低曲線內側支點出現負反力的發生幾率。

5.2 合理的偏心距設置調節扭矩分布

（1）將中墩支座或者雙支承設置橫向（曲線外側）預偏心，提高梁端抗扭性能，防止支座“脫空”。

（2）對于大曲率的曲線梁橋，設置偏心效果甚微，可通過增加配重混凝土的方法消除支座負反力。

5.3 增加結構的抗扭剛度

加強橫梁和橫隔板構造設計，從而提高結構的抗扭性能，降低曲線內外側腹板的受力差異。

5.4 完備的構造設施保障

（1）設置限位措施，有效限制曲線梁橋的徑向位移。

（2）增設必要的防落梁措施，提高梁體的穩定性。

6 結語

近年來，獨柱曲線梁橋被更多地應用于城市和公路立交建設中，關注結構的整體穩定性成為獨柱曲線梁橋設計的重中之重。本文旨在通過對結構受力和典型病害的剖析，參考相應的穩定計算方法，合理的建模并實例分析，從而得出一些建議，為類似工程的設計提供思路和指引。