独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性分析.pdf

第 卷，第 期年 月公路工程 ，：收稿日期 基金项目国家重点研发计划项目（）作者简介邢明明（），男，内蒙古通辽人，高级工程师，主要从事公路桥梁设计及研究相关工作。引文格式邢明明，李忠龙 独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性分析 公路工程，（）：，（）：独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性分析邢明明，李忠龙（黑龙江省交通规划设计研究院集团有限公司，黑龙江 哈尔滨 ；哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 ）摘要近年来独柱墩桥梁倾覆倒塌事故时有发生，从桥梁倾覆的机理分析，依据 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（）对于桥梁抗倾覆稳定性验算方法，通过对不同联长、跨径组合和独柱墩个数的桥梁分别进行空间杆系建模计算，得到独柱墩布置数量与抗倾覆稳定性验算的关联规律。关键词独柱墩；支座脱空；抗倾覆 中图分类号 文献标志码 文章编号 （），（，；，），（），；引言随着现代交通建设的飞速发展，在高速公路分离立交桥、互通区桥梁、天桥的建设中，为了减小桥梁下部结构与桥下建筑物或相交道路之间的冲突，使桥下行车视野开阔，独柱墩身配合整体连续箱梁这种结构形式在跨越高速公路中被广泛运用。经过 多年运营证明，这种结构形式总体上能满足运营要求。近年来我国经济快速发展，交通流量逐年增大，尤其是重型车数量越来越多。货车司机为了追求高的经济效益，超载现象屡禁不止，超载车辆日益增多，自 年，我国发生了多起独柱墩身配合整体连续箱梁的桥梁倾覆事故，桥梁的抗倾覆验算工作显得尤为重要。桥梁倾覆的机理分析通过对近几年来我国已发生的桥梁倾覆案例进第 期邢明明，等：独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性分析行分析，发现这些倾覆事故的桥梁，都具有以下特点：箱梁采用整体式箱型截面，支座布置形式多为梁端采用横向双支座，联中一个或多个桥墩横向采用单支座；事故前桥梁倾覆无明显预兆、猝然发生 ；发生倾覆事故后梁体整体倾覆（翻落、滑落），梁体本身无结构性破坏，没有因梁体本身强度不足而产生的扭断或弯断；发生倾覆事故后桥墩、桥台本身无结构性破坏，没有因桥梁墩、台强度或稳定性不足而首先倒塌，导致桥梁倒塌、倾覆；桥梁倾覆事故基本都是由于超载车辆的偏载作用超过规范规定的限值引起的。根据以上特点，结合规范的条文解释和结构受力分析，可大体对其倾覆机理描述如下：梁体结构在偏载作用下发生弯曲和扭转变形，导致支座反力重分配。当偏载加大到一定程度时，远离倾覆轴的单向受压支座开始脱离受压，单向支座依次持续脱空 ，结构约束体系发生变化，梁体绕倾覆轴线转动；随着偏载继续增加，梁体的转动继续加大，当转角到达一定程度时，箱梁的抗扭支撑全部失效，梁体开始侧向滑移，引发桥梁倾覆。此过程中可能还因梁体转动倾斜而产生对独柱墩的侧向作用力，使独柱墩发生大的侧向变形甚至破坏，从而加快梁体的倾覆 。在倾覆发生的过程中，存在 个明确的特征状态：箱梁的单向受压支座开始脱离受压；箱梁的抗扭支撑全部失效 。抗倾覆验算的计算依据、评估标准 公路桥涵通用设计规范（）和 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（）中没有对主梁进行抗倾覆验算的规定和计算方法，仅在第 条规定：板式橡胶支座安装时，应保证其上下表面与梁底面和墩台支座垫石顶面平整密贴、受力均匀，不得有脱空现象 。公路桥涵通用设计规范（）和 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（）中没有强制要求对主梁进行抗倾覆验算的规定，并且规范中也没有关于主梁抗倾覆验算的计算方法，仅在 的第 条规定：公路桥涵的持久状况设计应按承载能力极限状态的要求，对构件进行承载能力和稳定性计算，必要时尚应进行结构的倾覆和滑移的验算。公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（）第 条要求对桥梁抗倾覆进行验算，规定在第 条持久状态下，桥梁不发生结构体系改变，并应同时满足下列规定：在作用基本组合下，单向受压支座始终保持受压状态。按作用标准值进行组合 时（按本规 范第 条取用），整体式截面简支梁和连续梁的作用效应应符合式（）要求：，（）式中：为横桥向抗倾覆稳定性系数，取 ；，为使上部结构稳定的效应设计值；，为使上部结构失稳的效应设计值。条文说明：箱梁桥处于特征状态 时，各个桥墩都存在一个有效支座。稳定效应和失稳效应按照失效支座对有效支座的力矩计算：稳定效应：，（）失稳效应：，（）式中：为第 个桥墩址失效支座与有效支座的支座中心间距；为在永久作用下，第 个桥墩处失效支座的支反力，按全部支座有效的支承体系计算确定，按标准值组台取值；为在可变作用下，第 个桥墩处失效支座的支反力，按全部支座有效的支承体系计算确定，按标准值组台取值，汽车荷载效应（考虑冲击）按各失效支座对应的最不利布置形式取值。按新桥规进行桥梁抗倾覆验算的示例为了验证分析桥梁中独柱墩个数和桥梁平面线型对抗倾覆验算结果的影响，本次计算选取（）变截面连续梁和（）变截面连续梁这 种桥梁跨径组合进行抗倾覆验算，并且每种桥跨组合分别按设置一个独柱墩和多个独柱墩的进行计算对比。计算模型统计如表 所示。表 计算模型统计表 名称跨径组合一联中独柱墩个数一联中非独柱墩支座间距 计算节点模型（）变截面连续梁 模型（）变截面连续梁 模型 （）变截面连续梁 模型 （）变截面连续梁 模型 （）变截面连续梁 公路工程 卷 计算依据 公路桥涵设计通用规范。公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范。桥梁概况（）和（）变截面钢筋混凝土连续梁的箱梁断面尺寸完全相同，采用单箱双室斜边腹板截面箱梁，箱梁顶板宽度 ，悬臂长度 ，底板宽度 ，腹板斜率 ，腹板厚度 ，梁高 ，其间按直线变化。桥梁横断面布置为：防撞护栏 车行道 防撞护栏，桥面横向布置双向 车道。计算参数与荷载取值 混凝土，容重 ，抗压弹性模量：。永久荷载：结构重力、混凝土的收缩和徐变作用、基础变位作用（）。汽车荷载：公路 级，计算考虑冲击系数，计算支反力时车道荷载集中力乘以系数 ，相当于计算失稳效应时集中力乘以系数 。模型中结构重力系数按 取值；模型中横梁挖空部分按均布荷载加入模型中。二期恒载：桥面铺装为 ；防撞护栏为 。计算软件本次计算采用 桥梁博士 ，按照空间杆系建模进行计算。计算模型如图 、图 所示。抗倾覆计算结果 支座脱空验算计算结果。支座脱空验算如表 表 所示。图 （）变截面连续箱梁三维空间模型 （）图 （）变截面连续箱梁三维空间模型 （）表 （）变截面连续梁 个单支座运营阶段支座脱空验算表 （）支座种类支座名称基本组合支反力 是否通过双支座台左支座 是台右支座 是双支座墩左支座 是墩右支座 是单支座墩中支座 是双支座台左支座 是台右支座 否表 （）变截面连续梁 个单支座运营阶段支座脱空验算表 （）支座种类支座名称基本组合支反力 是否通过双支座台左支座 否台右支座 否单支座墩中支座 是单支座墩中支座 是双支座台左支座 否台右支座 否由上述运营阶段支座脱空验算可以看出运营阶段在基本组合作用下：（）变截面连续梁设置 个独柱墩时，靠近单支座墩的桥台右侧支座产生负反力，支座脱空验算不满足规范要求。设置 个独柱墩时，两侧桥台的左、右侧支座均产生负反力，支座脱空验算不满足规范要求。（）变截面连续梁设置 个独柱墩时，所有墩台支座未产生负反力，支座脱空验算满足规范要求。设置 个独柱墩时，靠近单支座墩的桥台左、右侧支座均产生负反力，支座脱空第 期邢明明，等：独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性分析表 （）变截面连续梁 个单支座运营阶段支座脱空验算表 （）支座种类支座名称基本组合支反力 是否通过双支座台左支座 是台右支座 是双支座墩左支座 是墩右支座 是单支座墩中支座 是双支座墩左支座 是墩右支座 是双支座台左支座 是台右支座 是表 （）变截面连续梁 个单支座运营阶段支座脱空验算表 （）支座种类支座名称基本组合支反力 是否通过双支座台左支座 是台右支座 是双支座墩左支座 是墩右支座 是单支座墩中支座 是单支座墩中支座 是双支座台左支座 否台右支座 否表 （）变截面连续梁 个单支座运营阶段支座脱空验算表 （）支座种类支座名称基本组合支反力 是否通过双支座台左支座 否台右支座 否单支座墩中支座 是单支座墩中支座 是单支座墩中支座 是双支座台左支座 否台右支座 否验算不满足规范要求，设置 个独柱墩时，两侧桥台的左、右侧支座均产生负反力，支座脱空验算不满足规范要求。抗倾覆验算计算结果。对于多支座，倾覆侧的最外支座为有效支座，该墩其它支座均为失效支座，对各个失效支座都计算其最小反力和此时的倾覆体全部其它支座的并发反力，进而计算全桥的稳定和失稳力矩。对于单支座，失效支座和有效支座间距为 ，不计其稳定和失稳效应。见表 表 。由上述抗倾覆验算可以看出运营阶段在作用标准值组合下：（）变截面连续梁设置 个独柱墩时，抗 倾 覆 稳 定 性 系 数 大 于 ，满 足 规 范 要表 （）变截面连续梁 个单支座运营阶段左倾覆验算表 （）项目左倾覆验算台墩台左支座右支座左支座右支座左支座右支座台右支座 稳定效应对应并发支反力墩右支座 支座竖向力 台右支座 台右支座 失稳效应对应并发支反力墩右支座 台右支座 台右支座 稳定效应（）墩右支座 台右支座 抗倾覆验算台右支座 失稳效应（）墩右支座 台右支座 稳定性系数 是否满足是是是公路工程 卷表 （）变截面连续梁 个单支座运营阶段右倾覆验算表 （）项目右倾覆验算台墩台左支座右支座左支座右支座左支座右支座台左支座 稳定效应对应并发支反力墩左支座 支座竖向力 台左支座 台左支座 失稳效应对应并发支反力墩左支座 台左支座 台左支座 稳定效应（）墩左支座 抗倾覆验算台左支座 台左支座 失稳效应（）墩左支座 台左支座 稳定性系数 是否满足是是是表 （）变截面连续梁 个单支座运营阶段左倾覆验算表 （）项目左倾覆验算台台左支座右支座左支座右支座稳定效应对应并发支反力台右支座 支座竖向力 台右支座 失稳效应对应并发支反力台右支座 台右支座 稳定效应 （）台右支座 抗倾覆验算台右支座 失稳效应 （）台右支座 台右支座 稳定性系数 是否满足否否表 （）变截面连续梁 个单支座运营阶段右倾覆验算表 （）项目右倾覆验算台台左支座右支座左支座右支座稳定效应对应并发支反力台左支座 支座竖向力 台左支座 失稳效应对应并发支反力台左支座 台左支座 稳定效应 （）台左支座 抗倾覆验算台左支座 失稳效应 （）台左支座 台左支座 稳定性系数 是否满足否否第 期邢明明，等：独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性分析表 （）变截面连续梁 个单支座运营阶段左倾覆验算表 （）项目左倾覆验算台墩墩台左支座右支座左支座右支座左支座右支座左支座右支座右支座 稳定效应对应并发支反力右支座 右支座 支座竖向力 右支座 右支座 失稳效应对应并发支反力右支座 右支座 右支座 右支座 稳定效应（）右支座 右支座 抗倾覆验算右支座 右支座 失稳效应（）右支座 右支座 右支座 稳定性系数 是否满足是是是是表 （）变截面连续梁 个单支座运营阶段右倾覆验算表 （）项目右倾覆验算台墩墩台左支座右支座左支座右支座左支座右支座左支座右支座左支座 稳定效应对应并发支反力左支座 左支座 支座竖向力 左支座 左支座 失稳效应对应并发支反力左支座 左支座 左支座 左支座 稳定效应（）左支座 左支座 抗倾覆验算左支座 左支座 失稳效应（）左支座 左支座 左支座 稳定性系数 是否满足是是是是求，但本方案支座脱空验算不满足规范要求，因此本方案抗倾覆验算不满足规范要求；设置 个独柱墩时，抗倾覆稳定性系数小于 ，不满足规范要求，本方案支座脱空验算亦不满足规范要求，因而本方案抗倾覆验算不满足规范要求。（）变截面连续梁设置 个独柱墩时，抗倾覆稳定性系数大于 ，满足规范要求，本方案支座脱空验算亦满足规范要求，因而本方案抗倾覆验算满足规范要求；设置 个独柱墩时，抗倾覆稳定性系数大于 ，满足规范要求，公路工程 卷表 （）变截面连续梁 个单支座运营阶段左倾覆验算表 （）项目左倾覆验算台墩台左支座右支座左支座右支座左支座右支座台右支座 稳定效应对应并发支反力墩右支座 支座竖向力 台右支座 台右支座 失稳效应对应并发支反力墩右支座 台右支座 台右支座 稳定效应（）墩右支座 抗倾覆验算台右支座 台右支座 失稳效应（）墩右支座 台右支座 稳定性系数 是否满足是是是表 （）变截面连续梁 个单支座运营阶段右倾覆验算表 （）项目右倾覆验算台墩台左支座右支座左支座右支座左支座右支座台左支座 稳定效应对应并发支反力墩左支座 支座竖向力 台左支座 台左支座 失稳效应对应并发支反力墩左支座 台左支座 台左支座 稳定效应（）墩左支座 抗倾覆验算台左支座 失稳效应（）台左支座 墩左支座 台左支座 稳定性系数 是否满足是是是但本方案支座脱空验算不满足规范要求，因而本方案抗倾覆验算不满足规范要求；设置 个独柱墩时，抗倾覆稳定性系数小于规范要求的 ，不满足规范要求，本方案支座脱空验算亦不满足规范要求，因而本方案抗倾覆验算不满足规范要求。计算结果对比分析通过上述结算可以发现，跨桥梁设置了 个独柱墩和 个独柱墩，跨桥梁设置了 个独柱墩和 个独柱墩的桥梁抗倾覆验算均不满足要求，也就是说一联箱梁中采用多个独柱墩且独柱墩数量占比较大的桥梁其抗倾覆验算一般不满足要求。由于篇幅有限，本文仅以 桥跨的箱梁为例进行计算分析，具有一定片面性，如果桥宽较宽，桥梁的上部重量较大，梁端支座间距也较大，则该桥的抗倾覆能力要优于支座间距较小和自重轻的桥梁。除桥宽、梁端支座间距外，平面曲线半径也是影响抗倾覆稳定性验算的重要因素，应在计算中按实际平面线型建模。第 期邢明明，等：独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性分析表 （）变截面连续梁 个单支座运营阶段左倾覆验算表 （）项目左倾覆验算台台左支座右支座左支座右支座稳定效应对应并发支反力台右支座 支座竖向力 台右支座 失稳效应对应并发支反力台右支座 台右支座 稳定效应 （）台右支座 抗倾覆验算台右支座 失稳效应 （）台右支座 台右支座 稳定性系数 是否满足否否表 （）变截面连续梁 个单支座运营阶段右倾覆验算表 （）项目右倾覆验算台台左支座右支座左支座右支座稳定效应对应并发支反力台左支座 支座竖向力 台左支座 失稳效应对应并发支反力台左支座 台左支座 稳定效应 （）台左支座 抗倾覆验算台左支座 失稳效应 （）台左支座 台左支座 稳定性系数 是否满足否否 结论 新规范的抗倾覆稳定性验算体系，全面地反映了倾覆破坏的临界状态，可以保证在正常交通运营状态下桥梁不会出现倾覆失稳的问题。一联连续梁采用多个独柱墩，且独柱墩数量占比较大的桥梁其抗倾覆验算一般不满足要求。桥梁必须采用独柱墩时，应尽量采用双支点独柱墩型式，并尽量拉开支座间距，增加梁体抗扭能 力，并 经 计 算 设 置 合 适 的 支 座 间 距 和 预 偏心 。参考文献 李盼到，马利君 独柱支撑匝道桥抗倾覆验算汽车荷载研究 桥梁建设，（）：马胜 独柱墩路桥抗倾覆稳定性分析与整固设计研究 华东公路，（）：冯苠，李会驰，赵君黎 公路桥梁独柱墩结构安全风险综述 公路交通科技（应用技术版），（）：卫高红 曲线半径对梁桥横向抗倾覆性能影响分析研究 北方交通，（）：宋庆瑞 独柱墩弯桥抗倾覆稳定性分析 交通标准化 ，（）：中交公路规划设计院有限公司 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：北京：人民交通出版社，张健，肖文杰 独柱墩桥梁抗倾覆稳定性分析 公路工程，（）：余晖 某独柱墩桥梁钢盖梁加固局部受力分析 湖南交通科技，（）：，