橋梁傾覆風險的參數分析

許佳林

(廣東省公路勘察規劃設計院股份有限公司)

近年來，國內已經發生多起獨柱墩支撐橋梁在汽車荷載作用下的傾覆事故，誠然，汽車超載是發生事故的主要原因之一，但也提醒我們設計人員反思，我們在設計中的抗傾覆穩定系數儲備是否足夠?設計時應重點把握哪些方面?

1 抗傾覆設計主要參數及設計主要控制目標

對抗傾覆設計的主要影響參數，筆者歸納為以下幾項:圓心角(跨長與半徑的比值，對于跨徑相同橋梁僅考慮轉彎半徑)、橋寬、聯長、支座間距及支撐的布置形式。除此之外，施工順序、預應力度等因素對抗傾覆穩定性亦有影響，但相對較小，暫不予以考慮。本文將結合工程實例，對一定橋寬的橋梁，通過對某個參數變化產生的抗傾覆穩定系數進行比較，得出各參數的影響情況。

抗傾覆設計的主要目標，首先是保證橋梁不傾覆，其次是保證支座不脫空(即不出現支座負反力)。

2 結構驗算標準及結構的基本參數

現行《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)中未對箱梁上部結構抗傾覆穩定性驗算進行規定，本次驗算參考《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(征求意見稿)第4.1.9條。

《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(征求意見稿)第4.1.9條規定:采用整體式斷面的中小跨徑梁橋應進行上部結構抗傾覆驗算。上部結構的抗傾覆穩定系數應滿足下式要求

式中:γqf為抗傾覆穩定系數;Ssk為使上部結構傾覆的汽車荷載(含沖擊作用)標準值效應;Sbk為使上部結構穩定的作用效應標準組合。

同時，鑒于彎橋結構在實際使用過程中較常出現支座脫空的情況，本次驗算亦將其作為一項指標進行觀察。

進行驗算的結構基本情況如下:橋梁跨徑為20 m，橋寬為8.5 m，采用10 cm混凝土鋪裝，聯長為60～100 m(即三跨一聯至五跨一聯)，采用鋼筋混凝土結構。端橫梁處采用雙支撐，中橫梁處采用單支撐(不設偏心)。箱梁的斷面形式見圖1。

圖1 箱梁斷面示意圖

3 計算模型的建立及計算圖式

計算模型:采用midas civil 2010建立全聯箱梁計算模型，單元長度為2 m，典型計算模型消隱圖如圖2所示。

圖2 計算模型消隱圖

本聯箱梁位于曲線上，按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(征求意見稿)第4.1.9條規定，本聯箱梁傾覆軸線如圖3所示。

圖3 原結構傾覆示意圖

根據以上計算圖式，算出成橋狀態下各支座反力，乘以支座到傾覆軸線的垂直距離并相加，即得到抵抗力矩。傾覆力矩則利用汽車荷載加載線與傾覆軸線的面積計算而得。

4 相同跨徑組合下不同轉彎半徑橋梁的抗傾覆穩定系數及支座反力比較

首先計算3×20 m的連續箱梁，在圓曲線半徑分別為60 m，120 m，200 m的情況下抗傾覆穩定系數的大小。其中，抗傾覆穩定系數的計算公式為

式中:RGi表示成橋狀態下支座反力;xi表示支座到傾覆軸線的距離;μ表示沖擊系數;Ω表示最外側車道荷載布置線與傾覆軸線圍成的面積;e表示最外側車道荷載布置線至傾覆軸線的最大距離。

表1 相同跨徑組合下不同轉彎半徑橋梁抗傾覆穩定系數比較

由表1可見，在其他參數相同的情況下，最小支座反力隨轉彎半徑的增大而增大，當轉彎半徑較小的時候支座容易脫空;而抗傾覆穩定系數，隨著轉彎半徑的增大，先減小后增大。大約在轉彎半徑200 m左右的時候，抗傾覆穩定系數最小，隨后抗傾覆穩定系數隨著轉彎半徑增大而逐漸增加。造成這種狀況的原因是抗傾覆軸內側支座到傾覆軸的距離大小變化造成的。

5 轉彎半徑相同情況下不同聯長的橋梁的抗傾覆穩定系數及支座反力比較

下面再計算曲線半徑為200 m的橋梁，聯長分別為60 m，80 m，100 m的情況下，抗傾覆穩定系數的情況。計算方法同上。

表2 相同轉彎半徑下不同聯長的橋梁抗傾覆穩定系數及支座反力比較

由表2可見，在其他參數相同的情況下，聯長越長，支座反力越小，支座越容易脫空;而抗傾覆穩定系數，則隨著聯長的增大而逐漸增大。造成這種狀況的原因是聯長越長，單聯的荷載越大，因僅有端橫梁處才有雙支座調節扭矩，故出現支座負反力(脫空)趨勢越來越厲害;但聯長越長，支座的個數也隨之增加，抵抗傾覆的總力矩也隨之增大，故抗傾覆穩定系數提高。

6 支撐布置形式對抗傾覆穩定系數影響及支座反力的影響

這里，我們取轉彎半徑200 m的3×20 m連續箱梁，采用兩種支座布置方式，第一種是中橫梁處仍然為單支座，僅把端橫梁處支座間距拉大至5 m;第二種是中橫梁處也采用雙支座，間距3.5 m的布置方式。計算以上兩種方式的抗傾覆穩定系數及支座反力。

表3 支撐布置形式對抗傾覆穩定系數及支座反力比較

由上表可見，兩種方式均能達到增大抗傾覆穩定系數，防止支座脫空的作用。而第二種方式對于抗傾覆穩定效果更加明顯。

7 小結

支座脫空與箱梁傾覆有一定的關聯但兩者并不等同，箱梁傾覆必然始于支座的脫空但脫空后并不一定導致傾覆。通過以上分析，可以發現，小半徑(R=60 m)連梁，支座負反力問題最為明顯，但是往往具有相對較大的抗傾覆穩定系數。而半徑R=200 m左右的連梁，往往具有較大的傾覆危險性。因此在實際設計中應予以重視。

一般在設計中，往往會通過控制聯長，來避免支座負反力的出現。但是通過計算發現，聯長的增加，對于結構的抗傾覆穩定相當于增加了額外的保險。因此在保證支座不出現負反力的前提下，可以考慮增加箱梁的聯長。

拉大端橫梁的支座間距，或者是在中橫梁位置設置雙支座，均可以有效地增加抗傾覆穩定系數。具體采用何種方式需視實際情況而定。例如匝道內采用板墩的情況，則建議采用在中橫梁處設置雙支座的方式;而如果匝道內采用柱式墩，從經濟性角度，建議可以采用拉大端橫梁支座間距方式處理。但無論采用哪種情況均需經過計算方可實施。

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［1］項海帆.高等橋梁結構理論［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［2］公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范(征求意見稿).