連續梁橋傾覆分析驗算及抗傾覆設計

鄧佳琦

華維設計集團股份有限公司，江西 南昌 330029

1 引言

獨柱墩因橋下空間利用率高、外形美觀廣泛應用于市政高架、立交樞紐、公路互通等地方，在橋墩中支點上布置單支座或間距較小的雙支座，這種橋梁近年以來已經發生多起橋梁傾覆倒塌事故，其中大部分采取整體式箱型斷面，采用端橫梁雙支座、跨中單支座的支承體系，事故原因為重載車輛偏心荷載作用，傾覆發生前無明顯預兆，具有很強的隱蔽性，事故發生后上部主體結構基本保持完好。

2 抗傾覆驗算原理分析

傾覆現象可以簡單的概述為，橋梁上部箱梁在極端活載偏心荷載的作用下，產生的偏載效應值大于結構自身的恒載效應值，上部箱梁將繞某側支點發生轉動，進而導致傾覆失穩的狀況。

支座脫空是箱梁發生傾覆的第一步工況，支座出現豎向力為零、失效后，梁體轉動導致另一側支座失去對扭轉變形的約束。控制傾覆風險時一方面要預留支座壓力儲備保證不發生脫空，另一方面要控制箱梁保持結構穩定。

傾覆橋梁的典型破壞流程為正常狀態、某個正常受壓支座出現豎向力為零、某排單向支座依次持續脫空、整聯梁體支承體系抗扭失效、梁體發生微小變形、梁體翻轉傾覆橋墩破壞。傾覆過程存在兩個典型的特征工況：工況1，箱梁的其中一個支座開始出現負反力；工況2，支座的的抗扭體系已經全部失效。《公預規》JTG 3362-2018中規定箱梁橋的支承體系應保持橫向穩定，上部箱梁構造受力應按下式進行抗傾覆驗算：

穩定效應 ∑Sbk，i=∑Rgki×Li

失穩效應 ∑Ssk，i=∑Rqki×Li

（2）需明確兩種工況驗算的荷載組合，工況1采用基本組合驗算，工況2采用標準組合驗算。

（3）明確需要進行抗傾覆驗算的結構形式，需同時具備以下特征：采用單向受壓支座；采用整體式截面；簡支梁或連續梁橋（墩梁固結的結構形式或小箱梁等預制結構無需進行抗傾覆驗算）。

對于穩定效應和失穩效應的計算方法，規范要求按照失效支座對有效支座的力矩計算，設計時僅需確定穩定效應和傾覆效應對應的支座反力以及支座間距，即可方便的計算出穩定及傾覆效應。

3 利用MIDAS軟件進行抗傾覆驗算對比

下面以某跨度45m+70m+45m混凝土連續梁橋為例，對比跨中單支座、雙支座（支座間距6m）情況下穩定性。利用Civil軟件建立有限元模型。

對于工況1和工況2的驗算，重點是要準確提取結構的支座反力結果，而活載反力的提取則需要考慮移動荷載的并發反力結果。Civil中默認的移動荷載反力輸出為每個支點反力的最值，即分別輸出按每個支點反力影響線峰值位置布置移動荷載的產生反力值。CDN的抗傾覆驗算結果分別輸出支座反力驗算表格和抗傾覆穩定系數驗算表格，如表1、表2所示。其中Rgki為恒載反力值，Rqki為活載反力值。∑Sbk，i為抗傾覆效應，∑Ssk，i為傾覆效應。

表1 工況1支反力驗算結果單、雙支座對比

表2 工況2穩定系數驗算結果單、雙支座對比

通過對比兩種支座布置方案可以看出，當中墩采用連續單支點時，計算得到的橫向抗傾覆穩定系數最小值為6.0，而采用雙支點方案時，計算得到的橫向抗傾覆穩定系數最小值為31.6，因此采用雙支點方案更有利于提高橋梁結構的抗傾覆性能。

4 新建橋梁抗傾覆防控設計

4.1 箱梁橫向穩定性能影響因素分析

影響上部箱梁橫向穩定性能的因素包括：同一橋墩上布設的支座數量、雙、三支座橫向間距、道路平曲線轉彎半徑、整聯梁體抗扭跨徑、整聯梁體邊中跨比等。

新建橋梁的抗傾覆設計可從調整中墩支座受力體系、提高整體橫向穩定性富余和設置額外約束三個方面考慮：

中墩單支座體系的橋墩可加固為墩梁固結，但改變了上部梁體結構的約束條件，僅適用于高墩等柔性墩，需保證墩柱結構配筋以滿足規范中的強度、裂縫驗算；加大端支點處雙支座間的距離，中墩單支座可加固為多支座，上部梁體結構的約束條件保持不變，可以顯著提升梁體的抗傾覆性能，缺點是會影響橋梁下方已經規劃好的預留空間，需保證墩柱對應的上部橫梁結構配筋滿足規范中的強度、裂縫驗算；在端支點處設置額外橫向限位、防轉動裝置，提供額外約束讓梁體保持穩定，在梁體有傾覆危險的時候保證不發生落梁的惡劣事件。

4.2 抗傾覆防控措施

設計階段擬定結構時應注意：橋墩宜采用橫向多支座體系，支座橫向間距盡量拉開；當下部橋墩結構受場地條件約束時，中支點墩柱只能采用獨柱墩單支座體系時，不宜在同一聯連續設置獨柱墩。過渡墩和橋臺處宜設置可靠的限位措施，防止落梁。

運營階段需要注意以下措施：應進行現狀檢測和驗算評估，然后根據抗傾覆性能做綜合整治；避免重載貨車密集、靠邊排隊；養護維修過程，避免施工堆載和施工車輛靠邊停放。

5 已建橋梁抗傾覆加固方案

基于理論及實例分析驗算，為確保箱梁整體結構穩定安全，可采取以下方案對建成橋梁進行加固設計：

方案一：中墩放棄原有單支座，改設雙支座。邊墩處加大支座間距，復核支反力計算，保證在極端不利的工況下支座不出現負反力，保證兩側支座均處于受壓狀態，上部梁體橫向分析保持穩定狀態。

方案二：對整聯梁體進行頂升施工，將普通受壓支座更換成拉壓支座，但混凝土梁橋更換支座難度較大，在鋼結構橋梁中適用范圍更廣。

方案三：設置梁體抗拔鋼筋，幾乎不影響結構原有受力模式，但施工復雜，難度大，需破除橋面鋪裝、封閉交通，僅在所需拉力較小的情況下適用。

6 結論

連續獨柱墩橋梁具有很多優點，但在極端偏心作用下，容易發生由支座失效引發的箱梁傾覆事故，本文結合規范及工程實例，對箱梁抗傾覆能力進行了分析，并提出了設計階段需要重視的措施及已建成橋梁的加固處理方案，以防事故的發生。