基于抗傾覆穩定性分析的橋梁結構設計研究

摘要：探究影響橋梁上部結構橫橋向抗傾覆穩定性的主要因素，主要有偏心汽車荷載、橫向支座間距、橋梁邊中跨跨徑比、橋梁平曲線半徑、支座類型等方法；對橋梁上部結構橫橋向傾覆失穩模態和抗傾覆穩定性計算原理進行深入的剖析，進而提出增大橫橋向支座間距、優化橋梁孔跨布置、優化橋梁平曲線半徑、控制汽車荷載分布等提高橋梁抗傾覆穩定性的具體措施，對保證橋梁上部結構抗傾覆穩定性、安全性與可靠性有重大意義。

關鍵詞：橋梁抗傾覆穩定性偏心汽車荷載支座間距邊中跨跨徑比平曲線半徑

中圖分類號：U448

ResearchonBridgeStructuralDesignBasedonAnti-OverturningStabilityAnalysis

LIGuozhen

ShaanxiNewXishangEngineeringTechnologyCo.，Ltd.，Xi'an，ShaanxiProvince，710000China

Abstract：Inthisarticle，themainfactorsaffectingthetransverseanti-overturningstabilityofthebridgesuperstructureareexplored，mainlyincludingeccentricvehicleload，transversesupportspacing，bridgeside-to-mainspanratio，bridgehorizontalcurveradius，andsupporttype.Itanalyzestheinstabilitymodeandanti-overturningstabilitycalculationprincipleofthetransversebridgesuperstructure，andthenproposesspecificmeasurestoimprovetheanti-overturningstabilityofthebridge，suchasincreasingthespacingofthetransversebridgesupports，optimizingthelayoutofthebridgeholespan，optimizingthebridgehorizontalcurveradius，andcontrollingtheloaddistributionofautomobiles，whichisofgreatsignificancetoensuretheanti-overturningstability，safetyandreliabilityofthebridgesuperstructure.

KeyWords：Bridgeanti-overturningstability;Eccentricvehicleload;Supportspacing;Side-to-mainspanratio;Horizontalcurveradius

橋梁作為交通基礎設施的重要組成部分，它的安全穩定與否直接影響著社會經濟發展、交通暢通以及人們的生命財產安全。橋梁抗傾覆穩定性問題是橋梁結構設計的重點問題，本文的研究目的在于通過對橋梁抗傾覆穩定性的基本原理進行分析，進而提出提高橋梁抗傾覆穩定性的有效方法，從而保證橋梁的穩定、安全、可靠。

1橋梁抗傾覆穩定性對橋梁結構安全的重要性

近年來，隨著高速公路、鐵路等基礎設施建設領域的高速發展，我國已建成了十分龐大的、完備的陸路交通網運輸體系，為促進國家社會經濟發展、方便人們的出行提供有力支持。然而，在發展過程中也出現了一些因交通設施失效而導致的安全事故，特別是自2007年以來，內蒙古包頭、天津、浙江上虞、黑龍江哈爾濱和廣東河源等地相繼發生橋梁橫橋向傾覆失穩直至垮塌的重大安全事故。對國家經濟發展、人們的生命財產安全造成十分嚴重的后果，也產生了十分嚴重的社會影響。

橋梁抗傾覆穩定性對于橋梁結構安全具有至關重要的意義，是保證橋梁結構在極端荷載工況下保持穩定、安全運營的關鍵因素。一方面，橋梁的抗傾覆穩定性為橋梁結構安全提供了基本保證；另一方面，橋梁抗傾覆穩定性在橋梁設計中也是結構承載能力極限狀態驗算的一大重點內容[1]。在對橋梁進行設計時，需要對其抗傾覆能力進行充分考慮，以保證其在極端荷載工況下的穩定性。這就要求對橋梁抗傾覆穩定性的原理、影響因素進行充分研究，進而擬定有效的設計方案，從而提升橋梁抗傾覆穩定性以及安全性。

2橋梁抗傾覆穩定性分析的基本原理

2.1破壞過程分析

通過對多個橋梁上部結構抗傾覆破壞案例進行分析，事故橋梁的基本特征（如圖1所示）為：上部結構采用整體式箱梁；結構體系為連續梁，上部結構橫橋向由單向受壓支座支承；橋臺或過渡墩橫橋向采用雙支座或三支座，中跨橋墩全部或部分采用單支座。

特大橋發生災變時，其主要特征是：單側承載力超過了常規受壓條件，支撐系統對上側的支撐系統失去了對上側的有效控制，導致了上部結構的扭曲變形和橫向失穩。具體如圖2所示。

2.2破壞機理分析

橋梁上部結構橫橋向翻轉具有兩種典型的特點：在特征狀態1下，單側承載力下的箱形梁從受壓端脫落；在特殊狀態2下，箱形梁的扭轉支撐完全破壞；根據國外有關規程的規定，以此兩種特性值為結構的抗傾覆校核條件。

（1）對于結構特性1，在各構件的共同工作條件下，各構件的單側承載力均為承壓。

（2）在一座橋上，一對雙支座共同組成了一種抗扭支撐，對彎矩和扭振進行了雙限制。但在偏心汽車荷載作用下雙支座中遠離偏心汽車荷載的一個支座豎向壓力變為零、脫空失效后，靠近偏心汽車荷載的另外一側的有效支承只能對車輛的轉矩進行限制，而不能限制扭轉的變形。在跨中橋向的扭撐完全破壞后，該結構已進入受力均衡或扭曲破壞的極限狀態，也就是所謂的“特征狀態”。對特征狀態2，橫向傾覆驗算，應用“穩定效果=穩定系數×不穩定效果”公式[2]。

2.3計算方法

橋梁處于特征狀態2時，縱橋向各個橋墩都存在一個有效支座。穩定效應和失穩效應按照失效支座對有效支座的力矩進行計算。

式（1）、式（2）中：為第i個橋墩處失效支座與有效支座的支座中心間距；為在永久性荷載下，對第i號墩破壞的支撐力，按照所有支撐系統的實際情況進行了分析，并將其作為標準值的綜合數值oatsBT15xXQwVCOnJT3/9++QzNZha+eoFk8ztO5eG+s=；為對于不同的荷載，第i個墩的破壞支撐的支撐力，按照所有支撐系統的實際情況進行了分析，并將其作為標準值進行綜合考慮；根據每一破壞節點相應的最不利布局方式確定車輛（計及碰撞）的影響。

3抗傾覆穩定性的影響因素

3.1偏心汽車荷載

影響橋梁抗傾覆穩定性的因素中，偏心汽車荷載是起決定性作用的外荷載因素。偏心汽車荷載是按最不利布載原則將汽車荷載布置在曲線外側的偏載線上，進而計算由活荷載標準組合下的支座反力，從而確定抗傾覆穩定計算中的傾覆力矩效應值。這種不對稱荷載分布使結構受到扭矩與彎曲效應的影響，從而導致了結構傾覆風險。偏心汽車荷載的大小、方向及位置均能顯著影響橋梁抗傾覆穩定性。在偏心汽車荷載較大時結構需承受更大扭矩及彎曲力矩，會造成結構抗傾覆穩定性下降甚至失穩[3]。同時，偏心汽車荷載方向與位置還會對結構受力分布與傳力路徑產生影響，從而對結構整體穩定性產生影響。

3.2橫橋向支座間距

橋臺或過渡墩處橫橋向設置雙支座，而橫橋向兩個支座之間的間距大小是影響橋梁抗傾覆穩定性的重要因素。在橋梁寬度一定的情況下，將偏心汽車荷載布置在兩個支座的外側時，可能使遠離偏心汽車荷載一側的支座壓力消失而脫空失效，而當偏心汽車荷載作用在橫橋向兩個支座之間就大大降低了遠離偏心汽車荷載一側支座脫空失效的風險，從而提高橋梁抗傾覆穩定性。

3.3橋梁邊中跨跨徑比

連續橋梁上部結構邊中跨跨徑比對一聯內縱向支座反力的影響較大，當橋梁邊中跨跨徑比較小時，邊跨支座在恒載作用下壓力較小，在橫橋向偏心汽車荷載作用下，遠離偏心汽車荷載一側的支座更容易脫空失效，導致橋梁抗傾覆穩定性下降。當橋梁邊中跨跨徑比增加時，邊跨支座所受壓力逐漸增加，在恒載與偏心汽車荷載作用下支座脫空失效的可能性降低，橋梁上部結構抗傾覆穩定性逐漸增強[4]。因此，在合理范圍內增大邊中跨跨徑比可以提高橋梁橫向抗傾覆穩定性。

3.4橋梁平曲線半徑

曲線橋梁由于其本身“外梁加載、內梁卸載”的力學特性，在預應力荷載的作用下，上部結構端部扭轉彎矩較大，加劇了橫橋向內外側支座反力不均勻分布的問題，甚至使得橋梁在恒載作用下內側支座就已經出現脫空失效的現象，在偏心汽車荷載作用下，更是加劇了邊跨內側支座脫空的程度，進而引發上部結構抗傾覆穩定問題。

4提高橋梁抗傾覆穩定性的具體措施

4.1增大橫橋向支座間距

在橋梁寬度一定的情況，采用在梁端設置端橫梁的方式，盡量增大橫橋向兩個支座之間的距離，以達到在減小偏心汽車荷載傾覆力矩偏心距的同時增大恒載抗傾覆力矩偏心距的效果，甚至使偏心汽車荷載作用于橫橋向兩支座之間降低橫橋向遠離偏心汽車荷載側支座脫空失效的可能，進而提高橋梁抗傾覆穩定性。

4.2優化橋梁孔跨布置

在進行橋梁孔跨布置時，在客觀條件允許的情況下盡量優化橋梁邊中跨跨徑比，以使橋梁邊跨支座在恒載作用下獲得較大的支座反力，以減緩在偏心汽車荷載作用下遠離偏心汽車荷載一側的支座脫空失效的可能，甚至保證其仍處于受壓狀態，以提高橋梁抗傾覆穩定性。

4.3優化橋梁平曲線半徑

路線平曲線設計時，盡量優化橋梁平曲線線形，減緩曲線橋梁“外梁加載、內梁卸載”的力學特性，進而減輕橫橋向內外側支座反力不均勻分布的問題，盡量使曲線內側支座在恒載及偏心汽車荷載作用下不出現脫空失效，從而提高橋梁抗傾覆穩定性。

4.4控制汽車荷載分布

在橋梁抗傾覆穩定性分析中，偏心汽車荷載是導致橋梁上部結構發生橫橋向傾覆失穩的最根本外部原因。因此，在改善橋梁抗傾覆穩定性能時，對汽車荷載分布的控制不僅與橋梁結構設計有關，也與車輛過橋方式及規范管理有關。橋梁正常運營期間，通過有效的管理可減小橋梁實際承受的偏心荷載大小與偏心距，以降低橋梁傾覆風險[5]。在這個過程中，關鍵點是確保汽車荷載在橫橋向的分布是均衡的，避免過重的車輛在橋梁上沿一條邊車道過度集中，導致實際偏心荷載和偏心距過大。

5結語

總之，橋梁抗傾覆穩定性問題是橋梁工程面臨的一個重要課題，需考慮諸多因素，采取適當的解決方法。通過增大橫橋向支座間距、優化橋梁孔跨布置、優化橋梁平曲線半徑、控制汽車荷載分布等方法，可以有效提高橋梁抗傾覆穩定性并保證橋梁安全可靠。在今后的橋梁工程設計工作中，應始終如一地重視橋梁抗傾覆穩定性驗算及研究工作，不斷探索更多先進高效的提高抗傾覆穩定性的措施，從而為橋梁安全運營及長期服役提供強有力的保障。

參考文獻

[1] 凌冬，劉耀鳳.獨柱墩曲線梁橋抗傾覆設計的探討[J].公路，2023，68（10）：187-192.

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[3] 汪浩京，趙啟林，劉為平，等.92mFRP-金屬組合輕量化應急橋穩定性分析[J].工業建筑，2023，53（S1）：690-694.

[4] 馬玉榮，陳海波，呂改鋒，等.獨柱墩橋梁上部結構抗傾覆穩定性分析[J].太原科技大學學報，2019，40（4）：316-322.

[5] 魏霞，曹猛.獨柱墩彎橋抗傾覆穩定性分析[J].公路交通科技（應用技術版），2018，14（5）：236-237，270.