独柱墩箱梁桥抗倾覆性能的比较分析

黄小峰 张 杰

(河南省交通规划勘察设计院有限责任公司，河南 郑州 450052)

独柱墩箱梁桥抗倾覆性能的比较分析

黄小峰 张 杰

(河南省交通规划勘察设计院有限责任公司，河南 郑州 450052)

从JTG D62中国公路桥梁规范(讨论稿)对结构抗倾覆稳定要求的相关条文出发，通过对独柱墩箱梁桥孔布置、支座设置、桥面宽度、曲线半径等影响参数进行有限元数值分析，得到了独柱墩箱梁桥抗倾覆稳定安全系数和支座应力随以上参数改变而变化的规律，并以此得出了其抗倾覆稳定设计的相关结论。

独柱墩，倾覆，稳定系数，影响因素

独柱墩箱梁桥下部结构构造简单、行车视线开阔且建设占地少、费用经济。在很多互通立交跨线桥的空间位置受到限制的情况下，通常成为最优桥型选择。但其也有一定的结构受力缺点，因为独柱墩在横桥向采用单支点支撑，故在汽车偏载作用下，对结构的横向抗倾覆稳定不利，容易造成支座脱空、支座不均匀压缩引起梁体整体偏移等，具有一定的安全隐患。目前，道路超载运输现象较为普遍，加之桥梁规范对桥梁倾覆计算规定不明确，导致尽管桥梁设计满足规范要求，但实际处于运营期的桥梁却多发生倾覆事故。这既有超载的原因，也有独柱墩设计考虑不足的问题。本文从独柱墩桥梁设计需满足JTG D62中国公路桥梁规范(讨论稿)对结构抗倾覆稳定要求的相关条文出发，对独柱墩的桥孔布置、支座设置、桥面宽度、曲线半径等与独柱墩的抗倾覆稳定性相关的几个因素进行计算比较。得出各种因素对独柱墩桥抗倾覆能力的影响，从而为独柱墩箱梁桥的设计提供一些参考[1,2]。

1 抗倾覆稳定性的判断准则[3]

国内外的桥梁规范中，对桥梁结构偏载作用下侧向倾覆失稳问题均未明确的定义和要求，不过对此类问题均有相关的表述，但不尽相同。JTG D62—2012公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(讨论稿)第4.1.10规定，桥梁上部结构抗倾覆稳定验算应在作用标准值组合(汽车荷载考虑冲击作用)下满足下式要求：1)Kqf=Sbk/Ssk>2.5,其中，Kqf为抗倾覆稳定系数；Sbk为使上部结构倾覆的汽车荷载(含冲击作用)标准值效应；Ssk为使上部结构稳定的作用效应标准组合。2)单向受压支座不应处于脱空状态。虽然国内外都提出相应的要求，但是不外乎有两个判断准则：1)远离偏载侧的支座的支反力受力大小。2)结构自身的抗倾覆力矩是否大于偏载的倾覆力矩。前者是桥梁结构支撑的边界条件，后者是结构在活载下受力平衡问题。桥梁抗倾覆稳定性可以从这两个方面加以判别。

2 抗倾覆稳定系数的计算方法[4]

假设在计算受力时，不考虑箱梁变形对受力的影响。箱梁桥的倾覆是刚体在平面不平衡受力条件下的转动。在重载偏载交通下独柱墩箱梁桥的倾覆过程为梁端一侧支座先脱空，然后其他支座依次脱空，最终当剩余支座处于一条直线之上时桥梁倾覆，因此倾覆轴可以定义为最后剩余未脱空支座的连线，且这些支座必须位于同一条直线上，倾覆轴外侧再无支点。如图1所示，否则将形成三足鼎立的稳定平衡状态。从图1可以看出，倾覆平衡状态的确定跟曲率半径、跨径、桥孔数、桥台支点间距等因素有关。

确定倾覆轴后，即可按下式计算箱形截面独柱墩桥的抗倾覆稳定系数：

(1)

其中，RGi为成桥恒载状态下各支座反力；xi为各支座到倾覆轴线的垂直距离；μ为冲击系数；qk为车道荷载中的均布线荷载；y(x)为车道均布线荷载到倾覆轴线的距离；Pk为车道集中荷载；e为加载车道中心线距倾覆轴线的最大垂直距离。

对于支座最小压应力的计算：

(2)

满足σ≥0。其中，σ为压应力；σc为支座使用阶段的平均压应力；R为支座半径；r为点到支座中心的距离；Rck为支座压力标准值，汽车荷载应计入冲击系数；Ae为支座有效承压面积(承压加劲钢板面积)。

3 抗倾覆稳定性影响因数分析[5，6]

1)建立模型。根据常规独柱墩箱梁桥设计参数，选择三类最具代表性的桥梁进行抗倾覆稳定性分析研究，模型1为6×20 m、模型2为4×30 m、模型3为4×25 m的(n×L)型的预应力混凝土独柱墩箱梁桥。三类模型支撑形式均采用盆式橡胶支座，梁高分别为1.4 m，1.8 m,1.6 m，计算分析模式如图2所示。计算采用通用空间有限元分析软件Midas Civil 2010建立三类模型的成桥状态，提取支座反力，按照JTG D62—2012规范(讨论稿)要求进行稳定验算。在公路—Ⅰ级、密集55 t车列和超载车辆(3辆125 t货车)3种荷载工况下按照式(1)和式(2)分别计算的抗倾覆稳定系数和支座应力，并进行比较分析。

2)桥跨设置。根据桥梁跨度、线形、荷载等要求，可以将独柱墩桥布置多跨连续梁等形式。以桥宽8.5 m，支座间距4 m在直线上的桥布置成6×20 m,4×30 m,4×25 m连续梁为例，分析桥跨布置对其抗倾覆能力的影响。从表1可以看出，独柱墩直线箱梁桥抗倾覆稳定系数对梁长的变化不敏感，且不同梁长其系数基本一致。相同梁长，跨径越大，抗倾覆稳定系数越大。从表2可以看出，在恒载和活载下支座不脱空，但是支座应力是随跨径的增大而增大。对于直线桥来说，公路—Ⅰ级作为验算活载明显是偏不安全。密集55 t车列验算可以考虑作为设计验算荷载，超载车辆当成倾覆极限状态来验算。

表1 抗倾覆稳定系数计算结果(一)

活载工况6×20m4×30m4×25m倾覆力矩/kN抗倾覆稳定系数K倾覆力矩/kN抗倾覆稳定系数K倾覆力矩/kN抗倾覆稳定系数K公路—Ⅰ级1538．422．91538．424．61358．723．0密集55t车3675．89．63675．810．32878．410．9超载车辆3012．111．73012．112．62937．210．6

表2 偏载作用下支座应力计算结果(一)

3)桥台支座间距。桥梁在横桥向可以布置成单支座、双支座或多支座形式。独柱墩桥梁采用桥台双支设置，中间独柱墩采用单支座。以一个宽8.5 m，在直线上的6 m×20 m桥，来比较不同的桥台支座间距对其抗倾覆能力的影响。

表3 抗倾覆稳定系数计算结果(二)

表4 偏载作用下支座应力计算结果(二)

从表3可以看出，在其他条件不变的情况下，随着桥台支座间距的增大，倾覆力矩逐渐减小，抗倾覆稳定系数逐渐增大。表明随着桥台支座间距的增加，结构抗倾覆效应逐渐增强，安全性能明显提高。从表4可以看出，桥台台支反力随着支座的间距的加大，分配更加均匀了。当达到极限状态时，活载作用范围始终在桥台支座连线的范围内时，桥梁将不会发生倾覆。

4)桥梁宽度。为了分析桥宽度对独柱墩桥抗倾覆能力的影响，分别取宽度B=8.5 m，10.5 m，12 m，截面的悬挑长度分别为1.5 m，2 m，2.5 m。支座横向间距取为桥宽度的1/2，采用4×30 m等跨连续梁布置。从表5，表6和荷载作用倾覆示意图可知，在其他条件相同的情况下，桥宽度越大，倾覆荷载作用范围与独柱墩桥桥面总的作用面积的比值越小，表明匝道桥抗倾覆的能力越强，安全性越高。再次反映出桥台支座间距对抗倾覆力矩显著的影响。同时说明在设计时悬挑长度不宜过长。

表5 抗倾覆稳定系数计算结果(三)

表6 偏载作用下支座应力计算结果(三)

5)平面曲线半径。独柱墩箱梁桥线形可以是曲线，下面以不同半径圆曲线的曲线桥来分析曲率半径对独柱墩箱梁桥抗倾覆能力的影响。以桥跨为4×30 m，宽10.5 m，桥台支座间距4 m的箱梁桥为例。从表7，表8可以看出，随着半径R逐步减小。曲线桥抗倾覆稳定系数逐步提高。即桥越弯越不容易整体倾覆。大半径曲线梁桥即微弯桥，其抗倾覆稳定系数最小，其次是直线桥，最后是小半径曲线梁桥。

表7 抗倾覆稳定系数计算结果(四)

表8 偏载作用下支座应力计算结果(四)

除上述因素外，影响箱梁桥抗倾覆能力的因素还有汽车产生的离心力和冲击力以及桥梁结构的截面重心高度。同时下部结构的强度也对其有着重要的影响。

4 结论与建议

通过对各个参数影响下独柱墩连续箱梁桥抗倾覆稳定的验算和分析，得到以下结论，为今后相近桥梁设计提供一些参考：

1)在设计独柱墩箱梁桥时必须进行抗倾覆稳定验算，尤其是桥墩全部为独柱墩形式的窄桥。验算荷载应采用偏安全的密集车列。2)桥台支座间距直接关系到整个桥梁的抗倾覆稳定性。对于设置双支座的箱梁，应尽量加大支座横向距离或者在梁端内侧采用拉压双向支座。对于桥宽在8 m～12 m独柱墩箱梁桥桥台支座间距可取1/3～1/2的桥宽。3)对于4×25 m独柱墩连续箱梁桥(桥宽10.5 m)而言，半径约处于200 m～500 m范围时抗倾覆能力较弱，处于其他较大半径或较小半径时桥梁抗倾覆相对有利，但曲率半径越小，独柱墩桥梁抗倾覆稳定安全系数对梁长的变化越敏感。4)独柱墩箱梁桥位于倾覆轴线上的支座应力均较成桥状态下的支座应力大幅度提高，提高幅度为50%以上，其中独柱墩越多，提高越大。相反，不在倾覆轴线上的支座的应力减小，降低幅度10%以上，当设置连续独柱墩三、四跨时，降低幅度达到50%左右。

5 有待进一步研究的问题[7-9]

从独柱墩箱梁的抗倾覆稳定性能的设计计算中可以看出，独柱墩箱梁桥抗倾覆稳定设计验算需要进一步分析研究以下问题：1)需要建立考虑弹性扭转变形的抗倾覆稳定系数的计算公式。2)应对偏载下的验算荷载做进一步研究。3)对箱梁桥倾覆过程中支座的受力性能和支座与箱梁间的相互作用应进行深入研究。4)需要对桥梁的抗倾覆稳定安全评价指标体系进行系统全面的研究。

[1] 王海丰.连续箱梁桥抗倾覆稳定性分析[J].北方交通，2013(2)：53-56.

[2] 向 红，曾 爱.高速公路匝道桥抗倾覆能力研究[J].北方交通，2013(9)：45-49.

[3] 梁 峰.三跨独柱连续梁桥抗倾覆能力研究[J].公路，2009(10)：40-43.

[4] 姜爱国，杨 志.独柱墩曲线梁桥倾覆轴线研究[J].世界桥梁，2013,41(4)：58-61.

[5] 於文超，陈帝江.独柱墩直线梁与曲线梁抗倾覆稳定性对比分析[J].公路交通技术，2013,10(5):71-74.

[6] 姚玉强，张 磊，张 杨.中小跨径连续梁桥箱梁抗倾覆计算研究[J].西南公路，2013(1)：64-67.

[7] 庄冬利.偏载作用下箱梁桥抗倾覆稳定问题的探讨[J].桥梁建设，2014，44(2)：27-30.

[8] 曹 景，刘志才，冯希训.箱形截面直线桥及曲线桥抗倾覆稳定性分析[J].桥梁建设,2011，44(3):69-74.

[9] 陈 瑶，陈露哗，张建华.独柱墩桥梁抗倾覆稳定验算方法及参数影响分析[J].浙江交通职业技术学院学报，2013，14(3)：1-6.

Comparative analysis of overturning performance of single column pier box girder bridge

Huang Xiaofeng Zhang Jie

(HenanProvinceCommunicationsPlanningSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,Zhengzhou450052,China)

From the relevant provisions of the stability requirements of the structure to resist overturning inChineseHighwayBridgeDesignCode(JTG D62 draft), by means of finite element analysis for the influence of parameters of single column pier box girder span layout, support set, the width of the deck, the curve radius, then get the safety factor of stability and bearing stress with the change of the above parameters of single column pier box girder overturning, and concludes the relevant conclusions of the anti overturning stability design.

single-column pier, overturning, stability coefficient, influencing factors

2015-03-28

黄小峰(1985- )，男，硕士，助理工程师; 张 杰(1987- )，男，助理工程师

1009-6825(2015)16-0177-03

U448.213

A