城市高架双支座宽桥抗倾覆计算分析

刘学清

(中国市政工程西北设计研究院有限公司福建分公司，泉州 362012)

近年来，随着国内基础设施的大规模建设，城市用地越来越紧张，为了节省用地，城市快速路的建设更多地采用了主路高架桥、辅路地面行车相结合的断面。 同时，交通量的急剧增加，也促使了主路高架桥桥面宽度越来越大，为了尽可能地利用桥下空间，桥墩的支座间距越来越小，桥梁由于汽车超载引起的倾覆倒塌事故也越来越多，尤其是独柱墩单支座桥梁倾覆破坏事故发生数次，已经引起格外注意。 目前，国内很多学者针对已发生的桥梁倒塌事故进行了大量的研究分析[1-4]，认为桥梁的抗倾覆性能可以通过调整支座布置形式得到提高。因此，如何既能合理利用桥下空间，又能保证桥梁上部主梁的抗倾覆稳定性[5]，是工程的设计施工及其未来运营均须关注的问题。 基于这一背景，提出了本文的研究。

1 工程概况

本项目范围北侧起点为泉州市福兴路北718 m 处，主线往南经过509 m 地面段后以高架桥的型式分别上跨福兴路、 规划十五号路与梧林互通主线高架桥相衔接，过梧林互通后主线高架桥上跨环城高速高架桥、 站北二路、站北一路后下地以地道隧道型式下穿泉州南站站前段的高速连接线、品牌街、复兴路、和谐路、梧垵路、站南一路、围头湾支线后往南约156 m 上地，后以地面道路的型式往南延伸，南侧终点为围头支线南侧约500 m 处；辅道依次与设计范围内的各条现状路及规划路平交口相衔接。

路线实际长度为3.881 km， 道路标准段红线宽度为55 m。道路等级：主路—一级公路兼城市快速路(双向六车道)，设计速度：80 km/h；辅路—城市主干路(双向六车道)，设计速度：40 km/h。

2 高架桥设计方案

(1)标准段跨径比选

主线桥除了上跨主要道路位置、 互通匝道出入口处外的桥梁均为标准段，宜设置成标准跨径；结合桥梁景观性要求，若采用25 m 跨径，桥下桥墩林立，通透性非常差，且桥梁的跨越性也较差；因此，不建议采用25 m 跨径。40 m 跨径的经济性较差，同样不建议采用。 比较30 m、35 m 跨径，两者经济指标相差很小，但结合景观性要求，推荐采用35 m 跨径。

(2)桥梁结构形式的选择

由于重车较多， 预应力混凝土预制连续组合箱梁的安全度较低，容易出现安全风险，因此，不推荐采用预应力混凝土预制连续组合箱梁。同时，考虑到项目所处位置为城市市区，对桥梁的景观性要求较高，而分幅现浇连续箱梁占用辅道较多，道路断面利用率较低，故推荐采用整幅现浇连续箱梁方案。

拟设计桥梁上部结构为等截面现浇连续箱梁。 箱梁顶板宽27 m，悬臂长度5 m，梁高2.1 m，单箱六室，顶底板平行，底板宽度为17 m，腹板厚度40～70 cm，底板厚度22～45 cm，顶板厚度25～45 cm。端横隔梁厚度为2.0 m 和中横隔梁厚度2.5 m。 桥面板从道路中心线往外双向放2.5%横坡。

从桥墩的受力性能、美观、施工等因素考虑，对桥墩造型作了如下构思：为了匹配主梁的内凹大悬臂，桥墩需横向打开，形成流畅的花瓶造型，推荐桥墩采用双柱式花瓶墩，支座间距7 m，如图1～2 所示。

3 计算模型分析

(1)计算模型建立

以主线标准段一联3×35 m 为例，通过建立全桥空间Midas 模型进行计算分析，总共划分55 个梁单元，结构计算模型如图3 所示。

(2)受力阶段划分

①浇注箱梁；②张拉该段预应力钢筋；③施工桥面系；④运营阶段。

图1 27 m 宽主线高架桥横断面图

图2 27 m 宽主线高架桥横断面效果图

图3 3×35 m 计算模型

(3)荷载组合

①组合1：恒载+活载；

②组合2：恒载+活载+升温+温度梯度+墩台不均匀沉降(5 mm)；

③组合3： 恒载+活载+降温+温度梯度+墩台不均匀沉降(5 mm)。

4 上部结构受力分析

(1)持久状况抗裂验算

①作用短期效应组合下正截面抗裂验算

现浇连续梁上、下缘最小正应力情况见图4。

图4 作用短期效应组合下连续箱梁上、下缘最小应力包络图

从图4 可以看出， 作用短期效应组合下现浇连续梁上、下缘均不出现拉应力，满足规范要求。

②作用短期效应组合下斜截面抗裂验算

现浇连续梁最小主拉应力情况见图5。

图5 作用短期效应组合下现浇连续梁最小主拉应力包络图

从图5 可以看出， 作用短期效应组合下现浇连续梁最小主拉应力为-0.73 MPa，小于规范允许值0.5ftk=-0.5×2.65=-1.33 MPa，满足规范要求。

(2)持久状况应力验算

①持久状况下正截面混凝土最大压应力验算

现浇连续梁混凝土上、下缘最大压应力情况见图6。

图6 标准效应组合下现浇连续梁上、下缘最大拉应力包络图

从图6 可以看出， 作用标准效应组合下现浇连续梁上、下缘混凝土最大压应力为14.02 MPa，小于规范允许值0.5ftk=0.5×32.4=16.2 MPa，满足规范要求。

②持久状况下正截面钢筋最大拉应力验算

持久状况组合下现浇连续梁预应力钢筋最大拉应力小于规范7.1.5 中0.65fpk=0.65×1860=1209 MPa，满足规范要求。

③持久状况下混凝土主压、主拉应力验算

现浇连续梁混凝土持久状况下混凝土主压应力情况见图7。

图7 持久状况下混凝土主应力图

从图7 可以看出，持久状况组合下现浇连续梁混凝土主压应力最大值为14.02 MPa， 小于规范允许值0.6fck=0.6×32.4=19.4 MPa，满足规范要求。

(3)承载能力极限状态强度验算

现浇连续梁混凝土基本组合下最大弯矩及其对应的抗力情况见图8。

图8 基本组合现浇连续梁最大弯矩及其对应的抗力图

现浇连续梁混凝土基本组合下最小弯矩及其对应的抗力情况见图9。

图9 基本组合现浇连续梁最小弯矩及其对应的抗力图

从图9 可以看出， 现浇连续梁的承载能力在基本组合下正截面弯矩与其对应的抗力，满足规范要求。

5 抗倾覆验算分析

按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[6]第4.1.8 条规定，持久状况下，梁桥不应发生结构体系改变，并应同时满足下列规定：

(1)在作用基本组合下，单向受压支座始终保持受压状态。

(2)按作用标准值进行组合时，整体式截面简支梁和连续梁的作用效应应符合公式要求：

式中，kqf为横向抗倾覆稳定性系数，取kqf=2.5；∑Sbk，i为使上部结构稳定的效应设计值；∑Ssk，i为使上部结构失稳的效应设计值。

支座平面编号示意如图10 所示。

图10 支座平面编号示意

由图10～12 和表1 计算结果表明，3×35 m 箱梁最不利荷载工况下，全桥支座最小反力为3718 kN，处于受压状态；横桥向抗倾覆稳定系数最小为12＞2.5，均满足新规范要求。

图11 恒载作用下最不利组合计算结果

图12 汽车荷载作用下最不利组合计算结果

表1 3×35 27m 宽现浇箱梁抗倾覆验算结果汇总

6 结论与探讨

综上分析， 城市高架桥倾覆倒塌主要是由于梁部整体倾覆(翻落、滑落)，梁体和墩台本身无结构性破坏，或倾覆过程中由于梁体的倾斜致使独柱墩倾斜或倒塌， 进而引起梁体完全倾覆，梁体本身强度均无问题。 因此，在进行城市高架桥设计时， 尤其涉及到需要充分利用桥下空间作为辅路的桥梁，可以适当提高高架桥的高度，桥墩可考虑采用花瓶墩， 在尽量不压缩辅路的情况下拉开支座间距，从而增加了桥梁梁体的抗倾覆稳定性，也证实了城市高架桥采用这种宽桥断面是合理的， 为今后类似工程提供参考。