独柱墩桥梁抗倾覆因素研究

林孔斌

(福州市规划设计研究院，福州 350108)

在城市公路桥梁及高速公路桥梁建设过程中， 由于受地形、地物、占地面积和城市景观等影响，出现了大量独柱墩支撑的桥梁。然而，独柱墩支撑的桥梁，相比双柱、多柱支撑的桥梁，其横向稳定性不足逐渐暴露出来。近几年发生的桥梁垮塌事故如无锡市312 国道锡港路上垮桥、津晋高速公路港塘收费站匝道桥、浙江上虞立交桥事故等， 均为超载车辆偏载引起的独柱墩桥梁垮塌的重大安全事故。 本文针对独柱墩桥梁的横向稳定性问题进行研究， 希望能给预防独柱墩桥梁抗倾覆问题带来一定的借鉴意义。

1 桥梁倾覆破坏特征研究

事故桥梁的基本特征为：上部结构采用整体式箱梁，结构体系为连续梁，跨中桥墩全部或部分采用单支座，桥台或过渡墩采用双支座或三支座(图1)。

图1 事故桥梁的典型形式

事故桥梁的破坏过程表现为单向受压支座脱离正常受压状态，上部结构的支承体系不再提供有效约束，上部结构扭转变形趋于发散、横向失稳垮塌，支座、下部结构连带损坏，如图2 所示。

倾覆过程存在2 个明确特征状态(图3)：(1)特征状态1，箱梁的单向受压支座开始脱离受压；(2)特征状态2，箱梁的抗扭支承全部失效。

图2 典型破坏过程

图3 箱梁桥达到特征状态2 的过程示意

2 桥梁倾覆验算规定

2018 年之前，我国公路及城市桥梁设计者对于桥梁上部结构的纵向承载能力极限状态、 正常使用极限状态下的刚度及强度问题关注较多， 但对桥梁上部结构的抗倾覆能力往往重视不够。 中交公路规划设计院有限公司作为主编单位对 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)进行修订，修订后的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)对横向抗倾覆稳定性进行了规定[1]：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下式要求：

式中，kqf为横向抗倾覆稳定系数；

∑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。

为了方便横向抗倾覆稳定系数的计算，式(1)又可以等效于式(2)：

式中：RGi为成桥状态时各个支座的支反力(kN)；xi为各个支座到倾覆轴线的垂直距离(m)；μ 为冲击系数；qk为车道荷载中均布荷载(kN/m)；Pk为车道荷载中集中荷载(kN)；e 为横向最不利车道位置到倾覆轴线的垂直距离(m)；Ω 为倾覆轴线与横向加载车道围成的面积(m2)。

3 桥梁抗倾覆的主要因素

本文以某一工程实例为基础：(32+31+30)m 预应力混凝土连续梁，桥宽8.5 m，曲线半径R=65 m，中墩为独柱墩，边墩设置双支座，支座间距为3 m(其MIDAS 三维模型如图4 所示)。 在此基础上，考虑分别设置不同的曲线半径、支座间距及容重等，对其横向抗倾覆稳定系数进行研究，得到相关因素与桥梁抗倾覆的关系。

图4 MIDAS 三维模型

(1)曲线半径

分别考虑设置不同的曲线半径：R=65 m、R=100 m、R=500 m、R=1000 m，得到不同曲线半径桥梁的横向抗倾覆稳定系数，如图5 所示：

图5 不同曲线半径桥梁的横向抗倾覆稳定系数

图6 为不同的曲线半径，(32+31+30)m 预应力混凝土连续梁桥的倾覆轴线变化。

图6 (32+31+30)m 弯桥倾覆轴线随平面曲线半径变化示意图

由图5～图6 可知， 当平面曲线半径R 由小变大时，桥梁倾覆轴线由桥墩向桥台过渡， 当处于临界状态时(500 m＜R＜1000 m)，抗倾覆稳定系数最小。 因此，在其它条件不变时， 连续箱梁桥横向抗倾覆稳定系数随平面曲线半径增大呈先减小后增加的过程， 即桥梁平面曲线的设置使相关支座远离倾覆轴线， 即全桥远离倾覆轴线处于由桥墩向桥台过渡的临界状态时， 该连续梁桥的横向抗倾覆能力是相对较强的。

(2)联端支座间距的影响

分别考虑设置不同的联端支座间距：3 m、2.8 m、2.6 m、2.4 m，得到不同联端支座间距桥梁的横向抗倾覆稳定系数，如图7 所示。

图7 不同联端支座间距桥梁的横向抗倾覆稳定系数

由图7 可知， 桥梁的横向抗倾覆稳定系数随着联端支座间距的减小而减小。由此可知，桥梁的最外侧支座间的间距越小，桥梁的悬挑长度则越长，弯桥在活载偏载作用下，内侧支座出现脱空的可能性越高，桥梁的横向抗倾覆能力则越弱。

(3)上部结构恒载

分别考虑设置不同的容重：21 kN/m3、23 kN/m3、25 kN/m3(实际容重)、27 kN/m3，得到不同容重桥梁的横向抗倾覆稳定系数，如图8 所示。

图8 不同容重桥梁的横向抗倾覆稳定系数

由图8 可知， 桥梁的横向抗倾覆稳定系数随着容重的增大而增大。 因此，在其它条件不变时，选择容重更大的混凝土梁，与钢箱梁或钢混组合梁相比，其横向抗倾覆能力则相对较强。

(4)独柱墩预偏心

1-1、2-1 支座处独柱墩分别考虑设置不同的往曲线外侧的预偏心：0 cm、20 cm、40 cm、60 cm， 得到不同预偏心桥梁的横向抗倾覆稳定系数，如图9 所示。

图9 不同预偏心桥梁的横向抗倾覆稳定系数

由图9 可知， 桥梁的横向抗倾覆稳定系数随着独柱墩往曲线外侧设置预偏心的增大而增大。 对于独柱墩式曲线梁桥，中墩支座设置合理的偏心距，相当于在中支点处施加集中扭矩，人为的调整梁内的扭矩分布，使得桥梁纵向扭矩的分布趋于均匀，减小端支点控制截面的扭矩，对改善支座受力性能和提高桥梁的横向稳定性作用是明显的[2]。因此，对于必须设置独柱墩的连续梁桥，可以考虑设置适当的预偏心值，加强其横向抗倾覆能力。

(5)桥墩形式

将1-1、2-1 单支座改为双支座， 支座布置形式同边墩支座，支座间距为3 m，调整独柱墩的单支座布置形式为双支座后，得到桥梁的横向抗倾覆稳定系数，其对比结果见表1。

表1 中墩单双支座桥梁的横向抗倾覆稳定系数对比

由表1 可知，中墩由单支座调整为双支座后，横向抗倾覆稳定系数增大明显，其横向抗倾覆能力显著增强。因此，为了防止连续梁桥的倾覆，在有条件的地方，应尽可能选择花瓶墩或独柱墩加盖梁等可设置多支座的墩型。

(6)超载

前述诸因素的横向抗倾覆稳定系数研究， 考虑的均是《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)[3]中的公路—Ⅰ级车道荷载均布荷载标准值qk=10.5 kN/m 和集中荷载标准值Pk。部分桥梁在规范荷载规定值下，横向抗倾覆稳定系数满足规范要求，但实际却发生了桥梁垮塌事故，究其原因，主要是由于超载车辆偏载引起的，对本文所述的几例发生桥梁垮塌事故超载汽车进行分析[4]，结果如表2所示。

由表2 可知， 引起桥梁倾覆事故汽车荷载的折算线集度为40～50 kN/m， 为公路15 规范车道荷载均布荷载标准值的3～5 倍， 大于横向抗倾覆稳定系数要求的最小值2.5。因此，超载在桥梁倾覆安全事故中起诱发因素，管理部门应该加强对超载车辆的管理， 加大处罚力度和措施，避免再次出现因为汽车超载引起桥梁垮塌事故。

4 既有桥梁防倾覆加固设计

对于有倾覆风险的既有桥梁， 应及时采取相应的加固措施，防止倾覆事故的发生，主要有以下几个技术对策[5]。

(1)箱梁横向宽度较大，支座间距较小情况，可采取用增加抗倾覆拉杆方案(图10)予以处理。

图10 增加抗倾覆拉杆

(2)对于独柱墩单支座箱梁，或独柱墩双支座但支座间距较小箱梁，可采用新增拉拔装置方案(图11)，或采用新增盖梁方案(图12)。

图11 新增抗拔装置

图12 新增盖梁

(3)有些独柱墩桥梁，经验算，抗倾覆稳性相差较多时，可采用新增墩柱加固方法。根据实际情况可采用新增桩基、承台和墩柱的方式(图13(a))，若原承台较宽，经计算可以满足横向稳定性， 可在原承台上新增墩柱(图13(b))。

本文仅列出了几种典型情况的桥梁防倾覆加固处理对策，实际设计中应具体问题具体分析，整体考虑各方面的影响，选择合适有效的防倾覆处理方案。

图13 新增墩柱

5 结论

桥梁倾覆破坏为瞬时行为，类似于结构“脆性”破坏，防范困难、经济损失大，且会造成非常恶劣的社会影响，应引起从业人员的高度重视。 本文通过对独柱墩桥梁的抗倾覆研究得出以下结论及建议：

(1)为防止桥梁的倾覆，桥梁设计时应优先考虑设置多支座的墩型，同时尽可能拉大支座间距；对于没有条件设置多支座墩型的桥梁， 可以考虑设置合理的支座预偏心。支座布置需结合平面曲线半径综合考虑，使各支座尽量远离倾覆轴线，增大桥梁的横向抗倾覆系数。钢箱梁或钢混组合梁等容重相对较小的桥型， 需要特别注意桥梁的抗倾覆问题。

(2)汽车超载已经成为使桥梁倾覆垮塌最严重的问题，桥梁都是依据规范设计的，用无限制的提高设计标准来解决汽车超载所带来的影响是不合理也是不经济的。相关管理部门要严格限制超载、超限车辆的通行，应严格控制货车的排队间距，避免横向倾覆效应超越规范荷载，从而减少对桥梁结构安全造成不利影响。

(3)既有倾覆风险桥梁的加固改造，是一件十分必要且紧迫的任务。 桥梁防倾覆加固设计需要综合考虑上下部结构的安全和稳定，不能为了确保上部结构的抗倾覆，而将风险转移，导致下部结构的破坏。