獨柱墩梁橋抗傾覆性能影響因素分析

摘要：為了明確不同參數對獨柱墩橋梁抗傾覆性能的影響程度及影響機理，文章基于工程實例，討論一般影響因素及獨柱墩曲線梁橋的曲率半徑、支座間距、中墩偏心距對其橫向抗傾覆性能的影響。結果表明：預應力及支座沉降都會改變支反力從而影響獨柱墩梁橋的橫向抗傾覆受力性能；提高兩端雙支座間距，可較好地提高獨柱墩橋梁的橫向抗傾覆性能；適度地將中墩單支座偏心向外側移動，可改善聯端雙支座的受力特征；曲率半徑越小，越有利于提高獨柱墩橋梁的橫向抗傾覆性能。

關鍵詞：獨柱墩梁橋；橫向抗傾覆性能；曲率半徑；支座間距；中墩偏心距

中文分類號：U443.22A501654

0引言

獨柱墩橋梁因其保證橋下空間，增強了橋下通透性而在眾多工程設計中選用，其通常在聯端布置雙支座，中跨位置采用獨柱墩的單支撐方式，但布置不利于橋梁結構的橫向抗傾覆穩定性［1-2］，在偏心荷載、汽車離心力及多重因素作用下，主梁有很高的傾覆失穩破壞風險［3］。

在橋梁結構設計中，橋梁的正截面抗彎及斜截面抗剪承載力通常是設計的重心，但獨柱墩梁橋的汽車偏心超載情況下的橫向抗傾覆穩定性在設計時同樣不容忽視［4-5］。國內汽車超載超重的情況時有發生，使得一些獨柱墩橋梁相較設計時的荷載水平處于超負荷運營的狀態。偏心超載會導致獨柱墩聯端雙支座的支反力分布不均勻，長期的反復作用最終導致聯端支座的脫空［6］。由于獨柱墩梁橋的支座設置形式，其本身橫向抗傾覆性能較差，當發生支座脫空時，主梁的支承體系發生變化，一旦聯端支座失效，中跨點鉸支承會使結構變為幾何可變體系，無法繼續維持橫向平衡狀態，最終導致傾覆事故［7-9］。近些年來，國內發生了多起獨柱墩橋梁傾覆事故，獨柱墩橋梁抗傾覆穩定性研究越來越引起重視。

影響獨柱墩梁橋橫向抗傾覆性能的因素眾多，例如有預應力、支座沉降、邊中比值、曲線梁橋的曲率半徑、聯端雙支承間距、中墩單支座偏心等［10］，需要通過對獨柱墩梁橋的橫向穩定性進行研究，明確不同參數對獨柱墩橋梁抗傾覆性能的影響程度及影響機理，從而在此基礎上對獨柱墩的設計進行優化。本文基于工程實例，討論支座沉降，預應力這些一般因素，以及獨柱墩曲線梁橋的支座間距、曲率半徑、中墩偏心距對于其橫向抗傾覆性能的影響。

1項目概況

1.1項目概況

某獨柱墩曲線梁橋梁結構采用3×30 m預應力混凝土連續箱梁，施工方法為滿堂支架施工。主梁全寬為9.74 m，采用單向雙室結構，截面細部結構如圖1所示。主梁位于半徑140 m的圓曲線上。梁高1.6 m，箱梁翼緣板寬2 m，頂板寬9.74 m、厚度為0.2 m，底板寬5.74 m、厚度為0.3 m。混凝土等級為C50。

荷載工況如下：自重取26 kN/m；橋面鋪裝取-40.4 kN/m；防撞護欄取10 kN/m，與橋梁中軸線偏心距為4.87 m，橋梁為雙向兩車道。橋梁設計荷載為公路一級，計算橋梁橫向抗傾覆性能只考慮單側偏載布置，車道荷載偏載布置同前，設計基準期為100年，車道布置為雙向兩車道，支座采用GPZ（Ⅱ）系列盆式橡膠支座。

2獨柱墩梁橋一般影響因素分析

本節針對獨柱墩梁橋的一般影響因素，不考慮曲梁橋因素影響，分析恒載、預應力及支座沉降對獨柱墩梁橋的橫向抗傾覆性能的具體影響，下頁表1為有限元模型各項作用下的支座支反力。

分析各項作用下的支座反力可知，預應力產生的鋼束次應力在支座位置產生了較大的力。在聯端位置，預應力產生的支座反力與恒載引起的支座反力作用相同，聯端內側支座的安全系數也隨之提高，增強了聯端支座的穩定性。雖然在中墩支座位置預應力產生的支座反力方向與恒載支座反力相反，但由于中墩支座處恒載產生的支座反力較大，因此并不影響橋梁整體的橫向抗傾覆性能。

相反，支座沉降在聯端與跨中產生的支反力均對橫向抗傾覆性能有所影響，特別當支座不均勻沉降時，會使得支座受力產生較大的改變，當聯端內側最不利支座沉降相對較大時，對橋梁橫向抗傾覆性能會造成較大的破壞。

不同于上述一般影響因素，曲梁橋的曲率半徑、支座間距以及偏心距等參數同樣會對其橫向抗傾覆能力產生影響，下面對獨柱墩曲線梁橋影響因素進行分析。

3獨柱墩曲線梁橋影響因素分析

3.1不同支座間距下的獨柱墩梁橋橫向抗傾覆性能

獨柱墩曲線梁橋的外側抗傾覆性能一般低于內側抗傾覆性能，故本文有關彎橋的抗傾覆性能要求都是施加外側車輛偏載。具體的支座編號、偏載布置及相關參數設置如圖2所示。

本節研究不同支座間距下的橋梁橫向抗傾覆性能，支座布置如圖2（b）所示。分別取聯端支座間距為：3.7 m、4.1 m、4.5 m、4.9 m、5.3 m。

由《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）的規定，箱梁梁體傾覆過程存在“梁體原有單向受壓支座開始出現零外力狀態”（特征狀態一）和“抗扭轉支撐體系全部失效”（特征狀態二）兩個特征狀態［11］，因此本文將針對這兩個特征狀態進行相應驗算。不同支座間距下各支座特征狀態一的支反力驗算結果如表2及圖3（a）所示，特征狀態二的安全系數驗算結果如圖3（b）所示。

由表2驗算結果可知，隨之支座間距的增大，聯端外側支座支反力降低，聯端內側最不利支座的支反力增大，兩側支座受力，表明兩側支座受力隨著支座間距的增大而受力更加均勻，這對于增強主梁的橫向抗傾覆能力有利。對比不同支座間距下的聯端內側最不利支座的特征狀態二的安全系數，也可以看出隨之聯端支座間距的增大，安全系數隨之增大，在調整至合適的支座間距時，安全系數可以達到規范2.5的要求。

因此，在合適的情況下，加大聯端雙支座的間距可以有效地提高橋梁的橫向抗傾覆性能。即使橋梁的抗傾覆性能滿足規范的驗算要求，設計師也可以合理地調整聯端雙支座的間距來適當地提高橋梁的安全系數，進而提高橋梁的抗傾覆性能的安全儲備，使橋梁能夠適應更加惡劣的受力情況。

3.2不同支座偏心距下的獨柱墩梁橋橫向抗傾覆性能

對于曲線橋梁而言，箱梁外側弧長大于內側弧長，結構的重心并不位于橋梁中軸線上，這使得曲線橋即使并未受車輛偏心荷載作用，僅在受恒載作用下也會產生扭矩。因此需要合理設置中墩單支座的偏心距使聯端內外兩側抗傾覆性能相近，使橋梁結構在恒載和活載的組合作用下不發生支座脫空和橋梁側翻事故。

依次設置中墩單支座偏心距x為0.4 m、0.2 m、-0.1 m、-0.2 m。當中墩單支座位于橋梁中心線內側時x取負值，位于橋梁中心線外側時x取正值，支座布置見圖4。分析不同中墩單支座偏心狀態下的獨柱墩梁橋橫向抗傾覆性能的影響，相應各支座特征狀態一的支座反力驗算結果如表3及圖5所示，特征狀態二的安全系數驗算結果如圖6所示。

如表3所示，隨著中墩單支座向外側偏移，聯端外側支座反力降低而內側支座反力增大，內側支座與外側支座反力的比值由x=0 m時的0.19增大至x=0.4 m時的0.65，在保證了聯端支座的抗傾覆性能的前提下，提升了聯端內側支座的抗傾覆性能，使得內外兩側的抗傾覆性能更為均衡。

將聯端雙支座的支座反力隨著中墩支座偏心距的變化圖繪制于折線圖5。由圖5可得聯端雙支座的最不利支座反力隨著單支座偏心距大致呈線性變化。隨著中墩單支座向內側偏移，聯端外側支座支反力增大而內側支反力降低，當偏心距x=-0.2 m時，聯端內側支座支反力為負值，發生脫空。由此可見，中墩單支座的向內偏移會加劇梁體的橫向扭轉，減弱內側支座的受力性能，從而使得最不利支座更容易發生傾覆過程中的特征狀態一。

聯端內側最不利支座的特征狀態二安全系數如表4及圖6所示，隨著支座偏心距向著主梁外側增大，安全系數隨之增大，當支座外側偏心距達到0.4 m時，驗算結果滿足規范要求。隨著支座偏心距向著內側增大，安全系數逐漸減小，當支座偏心距為-0.2 m時，4-2支座的安全系數＜1，支座失效。

通過以上特征狀態一的驗算結果可知，彎橋在受到最不利外側偏載作用時，通過將中墩單支座適當向外側偏移可以使聯端雙支座的受力更加均勻，增強最不利支座的抗傾覆性能。

3.3不同曲率半徑下的獨柱墩梁橋橫向抗傾覆性能

本節沿用跨徑3×20 m、支座間距3.7 m、中墩支座無偏心的參數，僅改變曲線梁橋的曲率半徑，通過驗算特征狀態一支座反力和特征狀態二安全系數來分析曲率半徑對曲線梁橋的影響，采用的模型曲率半徑R分別為50 m、100 m、200 m、500 m、1 000 m、+∞（直線橋）。

由表5可知，不同曲率半徑下的支座反力都滿足規范特征狀態一的驗算要求。隨著曲率半徑的增大，聯端內側最不利支座的支座反力逐漸增大，外側支座支反力逐漸降低，但曲率半徑對梁體抗傾覆的影響主要在于傾覆軸線與抗傾覆力臂的變化。由表6和圖7可知，曲率半徑較小時，內側支座與傾覆軸線之間的力臂較大，聯端內側支座的安全系數保持在較高的數值，隨著曲率半徑的增大，內側支座與傾覆軸線之間的力臂隨之減小，抗傾覆面積矩減小，活載面積矩增大，梁體的抗傾覆能力與安全系數開始降低。由上述分析也可以發現，曲線梁橋存在一個臨界曲率半徑，此時受到傾覆軸線的影響，梁體抗傾覆面積矩與傾覆面積矩的比值達到最小值，也使得特征狀態二的安全系數達到最小值，當曲率半徑由臨界值繼續增大時，抗傾覆荷載與傾覆荷載的面積矩之比重新開始增大，安全系數也隨之開始增大，因此當曲率半徑較小或較大（直線橋）時，橋梁的抗傾覆性能也相對較高。

4結語

本文基于工程實例，討論了預應力、支座沉降以及獨柱墩曲線梁橋的曲率、支座間距、中墩偏心距對于其橫向抗傾覆性能的影響。結論如下：

（1）預應力通過影響支反力來影響獨柱墩梁橋的橫向抗傾覆受力性能，支座沉降也會對獨柱墩梁橋橫向抗傾覆性能造成一定削弱。

（2）提高兩端雙支座間距，能較好地提高獨柱墩梁橋的橫向抗傾覆性能。適度地將中墩單支座偏心向外側移動，能較好地改善聯端雙支座的受力特征，并且提高獨柱墩橋梁橫向抗傾覆性能。

（3）曲率的增大會使主梁聯端內側支座的支座反力減小，從而使其支座脫空的幾率增大。曲率半徑越小，越有利于提高獨柱墩梁橋的橫向抗傾覆性能。

參考文獻：

［1］彭衛兵，潘若丹，馬俊，等.獨柱墩梁橋傾覆破壞模式與計算方法研究［J］.橋梁建設，2016，46（2）：25-30.

［2］彭衛兵，徐文濤，陳光軍，等.獨柱墩梁橋抗傾覆承載力計算方法［J］.中國公路學報，2015，28（3）：66-72.

［3］王兵見，趙航，張豪，等.獨柱墩梁橋橫向穩定計算理論與驗證［J］.中國公路學報，2017，30（9）：93-100.

［4］Weibing P，Hang Z，Fei D，et al.Analytical Method for Overturning Limit Analysis of Single-Column Pier Bridges［J］.Journal of Performance of Constructed Facilities，2017，31（4）：0 000 999.

［5］Philip Chen C L，Zhang C.Data-intensive applications，challenges，techniques and technologies：A survey on Big Data［J］.Information Sciences，2014（275）：314-347.

［6］彭衛兵，程波，史賢豪，等.獨柱墩梁橋傾覆破壞機理研究［J］.自然災害學報，2014，23（5）：98-106.

［7］Xuefei S，Zhen C，Haiying M，et al.Failure Analysis on a Curved Girder Bridge Collapse under Eccentric Heavy Vehicles Using Explicit Finite Element Method：Case Study［J］.Journal of Bridge Engineering，2018，23（3）：0 001 201.

［8］Xuefei S，Zijie Z，Xin R.Failure Analysis of a Girder Bridge Collapse under Eccentric Heavy Vehicles［J］.Journal of Bridge Engineering，2016，21（12）：05 016 009.

［9］周子杰，阮欣，石雪飛.梁橋橫向穩定驗算中傾覆軸的選取［J］.重慶交通大學學報（自然科學版），2013，32（5）：907-910.

［10］曹景，劉志才，馮希訓.箱形截面直線橋及曲線橋抗傾覆穩定性分析［J］.橋梁建設，2014，44（3）：69-74.

作者簡介：楊珊（1991—），碩士，工程師，主要從事橋梁結構設計與研究工作。