城市橋梁抗傾覆設計方法與施工技術分析

陳偉勝

（湖南輝達規劃勘測設計研究有限公司，湖南 長沙 410004）

0 引言

隨著我國城市化快速發展，城市的人口和物資等各類資源都高度集中，城市的建設也不斷擴大，為了滿足人們的出行需求以及貨物運輸需求，需要建設更多的交通基礎設施，這其中城市橋梁的建設需求量也在不斷增加。城市橋梁可以顯著地緩解路面交通通行效率，提高節點區域的通行安全，但這與橋梁的安全運營密切相關。

在交通運輸產業蓬勃發展的態勢下，超載重載運輸問題仍然是我國目前的社會現狀，而超載重載問題引起的橋梁損害和垮塌問題也是逐年出現，這造成了很大的經濟損失和惡劣的社會影響。例如2016年上海某高架橋就在一輛違規行駛的超載車作用下出現壓坍現象，事故雖然沒有引起橋梁的垮塌破壞，但是導致后續幾天整個高架路大面積交通擁堵[1-2]。因此對城市橋梁應該考慮超載車作用下的橋梁橫向穩定問題，設計抗傾覆措施，并對已有橋梁進行抗傾覆加固施工，確保橋梁在各種荷載作用下都具有很好的安全儲備，保障橋梁的運營安全性。

本文首先分析橋梁的抗傾覆設計原理和方法，明確傾覆機理和設計應對措施。其次針對已有橋梁不能滿足抗傾覆要求的，提出加固方法和詳細的施工措施，保障其安全性。

1 梁橋的傾覆機理與抗傾覆設計

為了進行城市梁橋的抗傾覆設計，首先需要明確梁橋的傾覆機理和過程，才能采取相應的抗傾覆設計措施，確保橋梁橫向的穩定性。

1.1 梁橋的傾覆機理分析

梁橋結構的橫向轉動問題是剛體轉動的過程，發生梁橋的橫向傾覆失效包括外因和內因兩個層面，其中內因是主導因素，而外因是誘發因素。

在內因方面，設計構造不合理使得梁橋在極端荷載情況下橫向是可以轉動的體系，如圖1所示。由于梁橋的設計主要滿足豎向平面內的抗彎和抗剪性能，對于橫向的穩定問題往往忽略。因此梁橋的支撐體系主要滿足豎向平面內需求，對于橫向的支撐設計較少。當在采用獨柱墩設計且橋面寬度較大的情況下，梁橋橫向穩定的傾覆軸就是最外側支座連線。這種情況下如果是直線橋則最外側支座布置的位置直接影響傾覆穩定性；如果是曲線橋梁則因為彎扭耦合效應內側支座很容易脫空導致梁橋向外傾覆概率增大。因此端支座的布置位置以及中間是否采用獨柱墩是影響梁橋傾覆的主要結構設計內容。

圖1 梁橋的橫向傾覆示意圖

在外因方面，引發梁橋橫向傾覆的主要荷載是車輛活載，如果出現行駛的車輛集中作用在最外側車道的情況下，則傾覆垮塌的風險大大增加。從目前多座橋梁傾覆倒塌的事件來看，超載重載車輛同時靠近外側車道行駛是誘發橋梁垮塌的核心要素。

根據傾覆機理的分析，傾覆失效過程可以通過下式進行描述：

式中：K是傾覆系數；M1是抵抗彎矩；M2是傾覆彎矩。

傾覆安全性就是抵抗彎矩和傾覆彎矩之間的博弈，傾覆彎矩就是路面車輛荷載作用下引起梁橋向傾覆側翻轉的彎矩和，抵抗彎矩就是梁體自重作用下對傾覆軸的穩定力矩。上述傾覆判斷建立在極限傾覆狀態，從正常狀態到極限狀態涉及支座反力重分配和梁體變形等二次效應，但是橋梁的傾覆轉動失效仍然是剛體行為。考慮到二次效應和安全儲備，傾覆系數應該滿足K≥2。

1.2 梁橋的傾覆設計措施

梁橋的傾覆失效是由超載重載車輛的作用產生的，然而車輛的超載問題在我國目前社會現狀下難以通過管理手段規避，因此需要從橋梁結構的角度進行設計優化[3]，使得梁橋的抗傾覆能力提高。

首先應該研究車輛荷載引起的傾覆荷載效應。根據建設橋梁的具體區域的運營車輛荷載特點，根據橋梁設計圖紙建立模型進行驗算分析，形成適用于該橋梁的車輛荷載模型，作為橋梁設計合理性的驗算基礎。其次根據路線規劃需求設計橋梁的基本形式。由于城市環境的路線往往是平面曲線和縱向曲線較多，這種情況下應盡量避免在直線梁橋或者接近直線的曲線梁橋設置獨柱墩，因此這類橋梁若采用獨柱墩則傾覆失效的風險非常大。再則根據設計的橋梁基本布置形式對橋梁進行構造優化，特別是為了減少地面用地空間采用的曲線梁橋獨柱墩形式，應對獨柱墩處的支座設置一定的偏心或者直接設計為雙支座，還可以將獨柱墩與橋梁進行固結處理。最后對于獨柱墩梁橋需要設計一定的抗拔支座或者鋼筋，目的是使得極端荷載作用下降低支座出現負反力的風險，在運營中也可以設計監測設備實時分析支座的反力狀態。

2 橋抗傾覆加固施工技術分析

目前隨著國內多座梁橋傾覆事故的發生，梁橋的橫向穩定問題得到了設計者的關注，因此不合理的結構形式在一定程度上得到了避免。但是目前運營的諸多橋梁存在很大的橫向傾覆隱患，因此需要對這些橋梁進行必要的加固設計，總結施工方法與技術，提高運營橋梁的使用壽命和安全問題。針對已建橋梁的橫向傾覆風險，有以下幾種加固措施可供選擇[4-6]，各加固措施的施工技術和方法總結如下。

2.1 設置抗拉支撐結構

支座脫空是橋梁傾覆的第一環節，為了避免橋梁的傾覆失穩問題，就需要減少支座脫空的問題。可以在已建橋梁的支座位置設置抗拔和抗扭支座，約束梁體在車輛荷載偏載作用下的扭轉，避免因為支座出現脫空導致梁體的支撐體系發生變化引起二次效應顯著增加（見圖2）。

圖2 主梁設計抗拔支座的方案圖

抗拉支撐的施工可以分別在墩柱和梁體上進行，基本不影響梁體本身的運營使用，在墩柱和梁體上下分別引伸出來的支撐結構進行連接，因此可以防止支座脫空問題。抗拉支撐結構幾乎不影響路面交通，施工簡單方便且構造明確，但是受限于抗拉支座的錨固連接，抗拉支座的強度受到一定程度的限制，因此主要用于可能支座反力較小的情況。

2.2 單支座改為雙支撐

獨柱墩單支座體系使得傾覆軸內的車輛荷載作用面積太大，極大地增加了梁橋傾覆失穩的風險，因此將單支座改造為雙支撐也是一種優選方法，可以提高主梁的抗扭能力避免橫向傾覆（見圖 3）。

圖3 單支座改為雙支座的方案圖

單支座改造為雙支撐體系，需要蓋梁位置具有設置雙支撐的空間。如果原來的獨柱墩蓋梁尺寸較大可以直接設置雙支座，可以通過頂升方法將梁體頂升起來，并切掉原有支座同時設置新的支座；如果原來的獨柱墩蓋梁空間較小而不能設置雙支座，需要對原來的蓋梁進行橫向加固，通過增大面積方法進行蓋梁加固。單支座改雙支撐方法可以明顯提高主梁的抗扭能力，但是需要驗算橫隔梁的安全性，因此往往也需要對橫隔梁進行加固改造，且施工過程涉及植筋、澆筑混凝土、橫梁加固等問題，需要干擾路面交通，整體施工工序較為煩瑣。

2.3 提高端橫梁支座間距

根據梁橋的橫向傾覆機理，傾覆軸往往由端橫梁最外側支座連線組成，因此端橫梁支座位置就決定了傾覆區域車輛所能布置的橋面空間。如果端橫梁支座靠近外側布置，則橋面范圍內的傾覆區域的車輛布置空間有限，橋梁的安全性能夠得到大幅度提高。

在端橫梁位置增加支座間距，可以根據目前蓋梁的尺寸設置最大的支座間距布置方案，并以此對原來的端橫梁進行橫向增大截面來加固。該方法對于寬幅箱梁橋的加固效果較好，可以非常顯著地提高梁體的抗扭性能，且相對于其他方案的加固量極少，只需要對端橫梁位置進行加固。存在的缺點是主梁端橫梁需要接長，收到預應力的影響可能植筋難度較大，而且支點處的橫梁需要按照規范要求進行加固驗算。

3 結語

城市化大力發展的背景下，需要增加交通基礎設施的建設以滿足人們的生產和生活需求，這其中橋梁結構的安全問題尤其需要被關注。近年來已經發生了多起橋梁傾覆事故，產生了惡劣的社會影響，因此需要加強對城市橋梁的抗傾覆設計與研究。本文詳細分析了城市橋梁的傾覆失效機理和抗傾覆設計方法，針對新建橋梁提出了抗傾覆設計原則和構造措施，對于已建橋梁給出了傾覆加固方法和施工技術。增強城市橋梁的運營安全性，為城市正常運作提供保障。