公路與城市道路橋梁抗傾覆設計研究

肖垚

青島市市政工程設計研究院有限責任公司 山東 青島 266000

引言

現階段公路與城市道路橋梁在為社會生產與居民生活提供便利的同時，傾覆問題也是必須面對的問題。尤其是在當下超載、重載現象頻發的背景之下，傾覆問題的發生概率也在不斷提高，是影響我國交通運輸安全的主要因素之一，將會造成重大的經濟損失，引發相當惡劣的社會影響。因此，想要盡可能避免公路與城市道路橋梁出現傾覆問題，除了要加強對超載重載問題的管理，還需要優化公路與城市道路橋梁的抗傾覆設計，提升其本身的抗傾覆性能。

1 公路與城市道路橋梁傾覆的機理分析

公路與城市道路橋梁的傾覆實際上是橋梁結構的橫向剛體轉動[1]，而引發公路與城市道路橋梁傾覆的主要原因可以劃分為內因與外因兩大類，內因是傾覆現象產生的主導原因，而外因則是外部環境帶來的，傾覆現象的誘發因素。

內因主要集中在構造設計方面，構造的不合理就會引發道路橋梁在極端荷載的情況下滿足出現橫向轉動的要求，導致傾覆現象的產生。在現階段對公路與城市道路橋梁的設計過程中，設計的重點主要集中在對豎向平面的抗彎抗剪性能需求的滿足上，橫向平面對穩定性的需求時常處于被忽略的狀態，因此針對橫向支撐的設計也往往處于缺失的狀態。在現階段廣泛采用的獨柱墩道路橋梁設計形式中，表現道路橋梁橫向穩定性的傾覆軸即是端橫梁在外側支座的連線，因此，端橫梁外側支座位置的排布會直接影響到直線型橋梁的傾覆穩定性，而曲線型橋梁則會因為彎扭耦合效應導致支座脫空問題的產生，提升橋梁的傾覆風險。總而言之，在設計層面影響公路與城市道路橋梁抗傾覆性能的內因，主要是端橫梁支座的排布以及支撐形式。而公路與城市道路橋梁出現傾覆現象的外因，主要是車輛帶來的荷載，一方面是道路橋梁上車輛的行駛位置，如果全部集中在外側車道，則會導致橋梁整體受力失衡，提升傾覆的風險；另一方面，道路橋梁上行駛的車輛一旦出現超載與重載現象，也會對道路橋梁的穩定性提出挑戰。

根據對上述公路與城市道路橋梁傾覆機理的分析，可以總結出描述道路橋梁傾覆可能性的系數，也就是抵抗彎矩與傾覆彎矩之間的比值。而通過這一系數的推導過程，不難發現公路與城市道路橋梁的抗傾覆性能實際上取決于抵抗彎矩與傾覆彎矩之間的拉扯。抵抗彎矩指的是道路橋梁梁體在自重作用下對傾覆軸產生的穩定力矩，而傾覆彎矩則是在道路橋梁路面車輛荷載作用下產生的橋梁向傾覆側的彎矩和。上述的傾覆系數實際上是對極限傾覆狀態的描述，而現實生活中道路橋梁的傾覆是從正常狀態向傾覆狀態的累計發展過程，因此通常將2作為傾覆系數的理論最小值，以保證道路橋梁的穩定性。

2 公路與城市道路橋梁抗傾覆性能的影響要素

2.1 道路橋梁基本參數

公路與城市道路橋梁的線形、結構形式與支撐方式是影響道路橋梁抗傾覆性能以及穩定性的共通要素[2]。根據以往的道路橋梁設計與建設經驗，直線型橋梁以及曲率半徑較大的曲線橋梁有著更高的傾覆概率；而從支撐方式來看，傾覆事故大多發生在中部橋墩由獨柱墩支撐的道路橋梁上，往往缺乏頂端加固體系?？偠灾?，道路橋梁的基本參數會對公路與城市道路橋梁抗傾覆性能產生直接的影響。

2.2 道路橋梁內部受力情況

公路與城市道路橋梁內部的受力情況同樣會影響到道路橋梁的抗傾覆性能，因此在對道路橋梁進行抗傾覆設計時，還要考慮到豎向平面的抗彎抗剪性能以及橫向的穩定性能。比如，在道路橋梁投入使用之后，在車輛的荷載作用的影響下，如果頂部預應力往往會超過底部的預應力，則橋梁會發生向心方向的扭轉，反之則出現離心方向的扭轉。除此之外，橋梁內部的溫度、混凝土的形變也會導致道路橋梁出現變形、滑移等問題，必須加強管理與控制。

2.3 外部荷載作用

公路與城市道路橋梁抗傾覆性能的影響因素中，外部的荷載是相當重要的一個，具體可以分為荷載量的大小以及荷載位置。事實上，為了避免傾覆事故的發生，相關部門已經在道路橋梁的管理上對荷載進行控制，一方面對荷載量大的重載車輛，規定其行駛車道，另一方面，對超載車輛進行嚴格管理。這是因為，當超載車輛偏離車道行駛時，就會引發嚴重的偏載效應，考驗道路橋梁的抗傾覆性能。

3 公路與城市道路橋梁抗傾覆設計的優化途徑

3.1 加強橋梁角度與平面線形設計

在公路與城市道路橋梁抗傾覆的設計過程中，首先需要完成的就是對橋墩橫向寬度等具體數據的確認。公路與道路橋梁參數的確認需要考慮諸多的實際因素，比如橋面寬度與橋墩寬度之間的具體比例與協調性、箱梁的傾覆抗性與穩定性。而且在確定參數的過程中，不能將背景設置為理想的使用環境，還需要充分考慮到極端天氣以及車輛超載等不利外部環境，做出對應的限元計算。既要計算在負載恒定的情況下，公路與道路橋梁的穩定效應，以及在超出荷載限制的情況下產生的失穩效應，將表示橫向抗傾覆性能的穩定系數保持在2.0以上[3]，并且在達成這一目標的前提下，進一步考慮支座的空間分配，以此確定橋梁角度與橋墩的最小寬度。

而在公路與道路橋梁的平面線形設計上，除了要符合基本的設計原則與路線走向，還需要進行持續的設計優化工作。尤其是對處于立交匝道之上的道路橋梁進行平面線形設計時，要在規范的大前提下充分發揮靈活性；而當橋梁為位于半徑相對較小的坡道之上時，就應當選擇跨度較小的線形結構。但如果出現道路橋梁的跨越被交叉道路阻隔的情況，跨越的直徑無法隨意調整，就需要通過優化路線線形的方式解決，同時提升曲線半徑，提升道路橋梁的整體穩定性。

3.2 增設墩柱或鋼支撐結構

想要保證公路與道路橋梁的穩定性，優化其抗傾覆設計，提升公路與道路橋梁的抗傾覆性能，就需要加強對橋墩支座的處理，可以在原本的橋梁結構中增設墩柱或鋼支撐結構。

增設墩柱與鋼結構是針對獨柱道路橋梁的主要加固方式，具體方法就是在橋墩下方的支撐部位植入數量與密度經過精確計算的鋼筋，在橋墩與主梁之間起到連接作用，讓橋墩與主梁形成受力整體。從而提供更強的支撐性，將原本簡單的單柱墩臺結構改造成在應力與穩定性方面都更加優秀的獨柱墩、多支座結構。增設墩柱或鋼支撐結構的公路與道路橋梁設計優化方法也有其適用范圍，與公路下方無承臺或公路與道路橋梁結構表面平整度不佳的情況有著更高的契合度與實際表現。通過增設鋼結構的方式對道路橋梁進行改造，能夠增強支墩與橋梁主梁之間的連接性，起到提升橋梁承載力的加固作用，進一步完善抗傾覆性能。

3.3 以雙支撐結構取代單支座

雖然可以在獨柱墩、單支座的道路橋梁結構基礎之上，通過增設墩柱與鋼結構的方式提升其抗傾覆性能，但是獨柱墩、單支座結構仍然存在其劣勢，那就是傾覆軸內部的車輛對道路橋梁會產生過大的荷載作用面積，提升道路橋梁失穩傾覆的風險。因此在對公路與城市道路橋梁進行抗傾覆設計時，可以考慮以雙支撐體系取代單支座，這一優化方式的優勢在于能夠有效提升道路橋梁主梁的抗扭能力，提升其對橫向傾覆的抗性。但在利用雙支撐結構取代單支座時，必須通過演算保障橫隔梁的穩定性與安全性，也需要對橫隔梁進行配套加固，并對施工工序與施工量做出預估。

而將公路與道路橋梁由單支座改造為雙支撐體系，蓋梁位置就需要具有與雙支撐結構相匹配的空間，那么在進行設計時就會面對兩種基本情況。第一種是蓋梁的尺寸與空間本身就相對較大，足夠支持雙支撐結構的設置，那么在施工上的難度也相應降低，可以通過升頂的施工方法，將道路橋梁蓋梁的梁體直接頂升，切除原有單支座并設置雙支撐結構。而如果道路橋梁原本的獨柱墩蓋梁在空間上相對局限，無法支持雙支撐結構的設置，則需要轉變加固思路，對原有蓋梁進行橫向加固，增大蓋梁的受力面積。

3.4 更新獨柱墩固結方式

在公路與道路橋梁的抗傾覆設計過程中，獨柱墩與主梁結構之間通常采用固結的方式進行連接，這種連接方式的優勢在于能夠顯著提升橋梁墩柱的穩定性，也減少了主梁的自由形變性能[4]。一旦柱墩與主梁之間的固結支座發生形變，不僅形變曲線變化幅度大，難以保證穩定性，而且主梁也會發生位移，傾覆抗性也隨之降低，因此需要更新獨柱墩固結方式。如果將固結位置改為道路橋梁墩柱底端，就能在很大程度上分擔橋梁主梁的受力，減少墩柱底部的受力彎矩，不僅形變曲線變化幅度小，而且對橋梁總體穩定性的負面影響也將降低，提升道路橋梁的抗傾覆性能。

3.5 額外設置抗拉支撐結構

一般情況下，公路與道路橋梁發生傾覆的第一環節就是支座脫空，因此想要通過優化公路與道路橋梁抗傾覆設計的方式提升公路與道路橋梁的抗傾覆性能，就需要對這一問題做出針對性地應對與解決。因此可以在道路橋梁的制作部分額外設置抗拉支撐結構，抗拉支撐結構的作用是加強對道路橋梁梁體的約束力，避免其在車輛造成的重載與偏載作用下產生扭轉，進而減少支座脫空現象引發的受力結構變化?？估谓Y構的設置既可以在上下垂直方向，也可以在支座與梁體的承接處進行側面加固，提供額外的支撐力。

由于抗拉支撐結構的施工對公路與道路橋梁的影響相對較小，同時可以在墩柱與梁體上分別進行施工，通過延伸出的支撐結構連接墩柱與梁體，因此不影響橋梁本身的運營與使用，同時有效預防支座脫空問題。但抗拉支撐結構同樣有其局限性，由于抗拉支撐結構主要采用錨固的方式進行連接，因此抗拉支座的強度有限，通常使用在支座反力較小的道路橋梁。

3.6 擴大端橫梁支座間距

根據公路與城市道路橋梁的傾覆機理，傾覆軸通常是由端橫梁最外側支座連線組成的概念線條，因此端橫梁支座位置的排布會直接影響到允許車輛通行的橋面空間的大小。如果端橫梁支座的排布相對接近外側，則傾覆區域就會相對縮小，橋梁的安全性也就得到提升，因此在對公路與城市道路橋梁抗傾覆設計進行優化時，應當擴大端橫梁支座間距。

在擴大端橫梁支座間距時，可以依照已經設計好的蓋梁尺寸，計算出最大的支座間距，并形成相應的支座布置方案，同時配合擴張橫向截面的方式進行進一步加固。這一設計優化思路更適用于寬幅箱梁結構的道路橋梁，能夠提升梁體的抗傾覆性能，且在工作量方面有較大優勢，施工范圍與施工量都相對較小，且集中在端橫梁區域。缺陷在于施工難度相較其他優化思路可能更大，需要接長端橫梁，植筋難度相對較大，且需要對支點處橫梁進行加固驗算。

4 結束語

綜上所述，公路與城市道路橋梁傾覆的產生原因分為內因和外因，內因主要是構造設計不合理，外因則主要是車輛帶來的荷載。因此，公路與城市道路橋梁抗傾覆性能的影響要素包括道路橋梁基本參數、道路橋梁內部受力情況以及外部荷載作用。想要提升公路與城市道路橋梁的抗傾覆性能，就需要優化其抗傾覆設計，加強橋梁角度與平面線形設計，增設墩柱或鋼支撐結構，以雙支撐結構取代單支座，更新獨柱墩固結方式，額外設置抗拉支撐結構，擴大端橫梁支座間距。