独柱墩连续箱梁桥抗倾覆稳定性验算分析

摘要： 在偏心偶然超载作用下，独柱墩桥梁可能发生整体横向失稳。通过对独柱墩连续箱梁桥的抗倾覆能力分析，并以云南省武定至昆明高速公路共9座独柱墩箱梁桥的抗倾覆验算为工程背景，运用有限元分析程序MIDAS/ CIVIL2006，对其中横向受力最不利的箱梁进行了整体抗倾覆验算，并有针对性的提出应对措施，以避免发生支座脱空现象导致侧倾，提高桥梁的抗倾覆能力。

Abstract： Under the action of the eccentric accidental overloading， the overall lateral instability of single column pier bridge may occur. Through to the analysis of the ability against overturning on continuous box girder bridge， and WuDing to Kunming highway in Yunnan Province a total of 9 single column pier box girder bridges resistive overturning checking calculation for the engineering background， by using the finite element analysis program MIDAS/CIVIL2006， to check the overall stability against overturning of the box girder under the worst lateral force， and put forward some corresponding countermeasures， to avoid the phenomenon of bearing separation and enhance the ability of bridge stability against overturning.

关键词： 独柱墩；连续箱梁桥；抗倾覆稳定性；应对措施

Key words： single column pier；continuous box girder bridge；stability against overturning；countermeasures

中图分类号：U44 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）09-0045-03

0 引言

现浇连续箱梁桥整体性能好、抗扭刚度大，下部结构若配置独柱式桥墩，可使桥梁视觉通透、线条流畅、外形美观、节约桥梁占地并能节省工程造价，因此独柱式连续箱梁桥在互通式立交的匝道桥中被广泛采用。目前我国载重车辆普遍存在超载现象，个别车辆超载甚至达到了200%～300%，导致多数桥梁处于超负荷工作状态。在偏心偶然超载作用下，已经导致国内发生多起独柱墩箱梁桥倾覆倒塌事故，造成了巨大的经济损失和不良的社会影响，现有独柱墩连续箱梁桥的横向抗倾覆稳定性问题日益突出。

我国现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）对上部箱梁抗弯强度、抗剪强度以及抗裂性能等结构自身强度方面有明确规定和要求，但对桥梁的横向倾覆稳定性要求方面没有加以阐述。在桥梁设计中，从业人员往往重视了桥梁纵向的受力分析与计算，却忽略了对桥梁在偏心超载情况下的的横向整体稳定性分析。因此，独柱墩连续箱梁桥横向受力特点的研究就成了当前一个重要课题。

1 连续箱梁桥抗倾覆验算分析

在曲线连续箱梁桥中，由于梁体内、外侧恒载差以及偏心偶然超载的作用下产生较大的扭矩，通常会使箱梁外侧超载、内侧卸载，当扭矩不断增大，达到并超过了整个结构对于梁体外侧翻转轴所能承受的抵抗翻转力矩时，箱梁内侧支座将产生负反力，这时如果梁体自身不能抵消此负反力，就会出现梁体与支座的脱离，即“支座脱空”现象，梁体曲线内侧支座就可能因为压力重分配而压坏从而丧失承载能力，整体结构就可能会发生侧翻并倾覆。

可以用抗倾覆度作为评价连续箱梁桥抗倾覆能力的指标[1]。

抗倾覆度K=■

对于抗倾覆扭转力矩，主要有箱梁翻转轴扭转方向异侧的结构重力；对于倾覆扭转力矩，则主要有箱梁翻转轴扭转方向同侧的结构重力和偏载的活载力矩。

本文通过对武昆高速共9座独柱墩中横向受力最不利的连续箱梁进行了抗倾覆计算分析，对影响独柱墩连续箱梁桥横向稳定的因素进行了分析和总结，从而为独柱墩连续箱梁桥的设计提出一些建议和参考。

1.1 工程概况 本文计算的云南省武昆高速项目包括富民立交、解家营立交、乌龟山立交共有9座独柱墩连续箱梁桥。设计时每一联除简支处采用双柱墩（双支座）外，连续处均设计为独柱墩（独支座）。连续墩处横桥向考虑了支座中心线（墩中线）偏离箱梁中心线曲线外侧一定的偏心距。

在偏心偶然超载作用下，独柱墩桥梁可能发生整体横向失稳。现选取偏载作用下抗倾覆最不利的乌龟山立交匝FK0+300桥第五联箱梁（圆曲线半径R=163.491米，4×20米一联）进行横向整体抗倾覆验算，来具体分析抗倾覆能力的影响因素。

该类梁体下部联端简支处均为盖梁双柱墩，如图1，盖梁上的非抗扭盆式支座均与下方墩柱直接对应，故支座竖向作用不会对盖梁造成直接破坏。联内连续处均为独柱通过非抗扭盆式支座直接支承梁体横梁，如图2。超重车辆对下部的影响主要是轴力的增加，故本次抗倾覆稳定验算不考虑下部的问题。

1.2 计算依据 ①《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004。②《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004。

1.3 计算参数

1.3.1 材料参数。主梁采用C40混凝土，钢筋混凝土容重取为26kN/m3，C40混凝土弹性模量为3.25×104Mpa，抗压设计强度18.4Mpa，混凝土材料的收缩徐变特性全部按照规范规定取值。

1.3.2 计算荷载

①结构自重。自重由程序自行计算，考虑了横梁处的实心段和截面变化，钢筋混凝土容重计为：26kN/m3。

②二期恒载。钢筋混凝土容重计为：26kN/m3，沥青混凝土容重按24kN/m3计算，桥面铺装（8cm混凝土、10cm沥青）、防撞护墙以均布力的形式施加于主梁单元上。

③汽车活载。首先按现行规范公路―I级标准车道荷载进行复核性验算，其次选取特殊荷载进行非常规倾覆安全性验算。车道荷载在偏载满布作用下，按单车道最不利偏载布置。

④汽车荷载冲击系数。冲击系数按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）规定的方法计算，取标准跨径20m，计算如下：

f■=■■=9.4（Hz）

f■=■■=16.4（Hz）

故正弯矩冲击系数μ1=0.381

负弯矩冲击系数μ2=0.45

⑤不均匀沉降。计算时考虑5mm的不均匀沉降量。

⑥离心力。根据《公路桥涵设计通用规范》4.3.3条计算。经计算乌龟山立交匝FK0+300桥第五联的离心力产生的向外侧的每延米倾覆力矩为5.23KN.m/m。

⑦荷载组合。超载车辆荷载为偶然荷载，验算按《公路桥涵设计通用规范》4.1.6.2条规定进行荷载组合，即取上述①～⑥项荷载的标准值进行组合。对混凝土收缩徐变、温度效应和横向风荷载等均不考虑。由于所验算对象为高速公路上重要互通区的桥梁，构件承载能力极限状态计算时结构重要性系数取1.1。

1.4 有限元模型 乌龟山立交匝F第五联采用4×20米现浇连续箱梁，箱梁顶板宽10.5米，底板宽6米。下部结构简支处采用双柱墩，连续处采用独柱墩。本联15～17号连续墩处横桥向考虑了支座中心线（墩中线）偏离箱梁中心线曲线外侧13cm的偏心距。

车道荷载在偏载满布作用下，按单车道最不利偏载布置，荷载横向布置如图3所示。

采用有限元分析软件MIDAS Civil2006进行计算，全桥共126个节点，111个单元。按曲线梁建模，见图4。

1.5 计算结果 独柱墩桥梁在偏心超载作用下主要存在以下几点安全隐患：

①独柱墩梁体尤其曲线桥梁，在偏载作用及梁体内外侧恒载偏心作用下，多支承点位置支座可能存在脱空，桥梁结构存在整体失稳、倾覆的可能性。

②在偏心超载作用下，梁体承受较大的扭矩作用，且跨径越长，独柱墩数量越多，扭矩累积作用越大，一但梁体抗扭能力不足，桥梁将出现剪扭破坏。

③独柱墩本身为偏压构件，如果墩高较大或者墩身过细，在较大的偏载作用下，立柱将存在偏压破坏的可能性。由于本文主要关注上部箱梁的整体倾覆稳定，故不再讨论这种情况。

本次计算主要分析以下两方面：

1.5.1 箱梁在偏载作用下的整体刚性倾覆验算 独柱墩曲线桥梁，在车辆活载、离心力等偏载作用效应下出现的支座脱空现象，即桥梁（简支）墩台处的双支座出现负的支反力时，独柱墩桥梁上部结构就存在倾覆的危险。本文假定在偏心超载发生横向整体侧倾前，梁体不会先发生弯扭破坏。

在公路―I级标准车道荷载及特殊荷载荷载作用下，标准值组合时内侧支座的最小支反力计算结果见表1。

由表1数据可知，在现行公路―I级车道荷载下，该桥简支墩处及桥台处双支座位置内侧支座不会出现负反力，即支座不会出现脱空现象，因而不会发生上部箱梁倾覆危险。

考虑超载情况，分级增加活载效应（每级增加标准车道荷载的0.2倍），当活载效应增加至标准车道荷载的1.8倍时，14号桥墩处内侧支座出现负反力，桥台处支反力为0，将出现支座脱空现象，该桥在此荷载等级作用下，将存在倾覆的危险。

1.5.2 持久状况下桥梁抗扭承载力计算 由于独柱墩单支座结构不能承受梁体纵向扭矩，其作用全部由联端简支处的双支座产生反扭矩对抗，故联端靠近支座处的梁体承受纵向扭矩是最大的。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）第5.5.4条规定计算截面的抗扭承载能力[2]。在标准车道荷载作用下近联端附近边跨梁体截面扭矩设计值rTd最大为4754KN・m，截面抗力为6578KN・m，梁体抗扭承载力满足规范要求。在1.8倍标准车道荷载作用下近联端附近边跨梁体截面扭矩设计值rTd最大为6324KN・m，截面抗力为6578KN・m，梁体抗扭承载力满足规范要求。故该桥上部结构抗扭承载能力满足规范要求，结构抗扭安全储备较高，且可得知箱梁产生扭转破坏之前会先发生倾覆破坏。由于箱梁上部结构的抗扭承载能力一般均较高，因而很少出现由于扭转作用而造成破坏。

当一联内孔数减少、联长缩短时，由于其所能排布的偏载车辆也较少，故而对联端产生的扭矩也较小，所以独墩单支座连续梁结构出现超载扭断破坏的可能性是随着其一联的长度增加而增加的。曲线梁由于弯（剪）扭矩耦合效应的作用，相同孔数的一联的扭矩内力，曲线梁将较直线梁增大不少。

2 结论与建议

由于连续处独柱墩设置了合理的横向偏心距，在现行公路―I级车道荷载下的最不利偏载作用下，不会发生桥梁横向失稳，抗倾覆验算满足规范要求。考虑超载情况，当活载效应增加至标准车道荷载的1.8倍时，将出现支座脱空现象，该桥在此荷载等级作用下，将存在倾覆的危险。

独柱墩连续箱梁桥在我国有着非常广泛的应用，但目前正在服役公路桥梁在偏心偶然超载时存在倾覆危险的桥梁不在少数。为了避免发生支座脱空现象导致侧倾，提高桥梁的抗倾覆能力，笔者建议：

①从前述结构分析上看，独柱墩桥梁满足现行公路桥梁设计规范中的车道荷载的抗倾覆性能要求，但在超载、重车的作用下则会出现倾覆，随着交通量的增长和超载车辆的增多，给正在运营的独柱墩桥梁的安全性带来极大的隐患，因此应该加强正在运营独柱墩桥梁的检测及动态观察，制订有效的养护措施，确保其能够安全运行。

②鉴于独柱墩连续箱梁桥存在安全隐患，因此设计中在外部条件允许的情况下连续处桥墩应尽可能避免采用独柱单支座的结构形式，而采用双柱双支座的形式。若场地条件受限而必须采用独柱墩时，则应考虑增大墩身截面，并采用独墩双支座形式（如花瓶墩），以改善梁体的抗倾覆能力。

③面对超载车辆存在的现实性和紧迫性，针对连续箱梁桥连续处独墩单支座抗扭能力最为薄弱和简支处箱梁曲线内外侧支座受力不均的情形，现有服役独柱墩桥梁可进行必要的改造加固，增强梁体整体应对不利倾覆荷载的能力。

④在桥梁通车运营期间，有关路政部门应切实加强对桥梁使用的管理。须严格杜绝超重车辆上桥行驶，一旦发现应及时堵停卸货或由有资质的单位做特载车辆单独验算、制定专门的通行方案，切不可侥幸盲目上桥。

参考文献：

[1]梁峰.三跨独柱连续梁桥抗倾覆能力研究[J].公路，2009.10（10），40-43.

[2]JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].2004，43.

[3]武宏晓.连续独柱墩桥梁抗倾覆安全评价及加固设计方案[J].城市道桥与防洪，2010，（04）.