连续梁桥倾覆分析验算及抗倾覆设计

邓佳琦

华维设计集团股份有限公司，江西 南昌 330029

1 引言

独柱墩因桥下空间利用率高、外形美观广泛应用于市政高架、立交枢纽、公路互通等地方，在桥墩中支点上布置单支座或间距较小的双支座，这种桥梁近年以来已经发生多起桥梁倾覆倒塌事故，其中大部分采取整体式箱型断面，采用端横梁双支座、跨中单支座的支承体系，事故原因为重载车辆偏心荷载作用，倾覆发生前无明显预兆，具有很强的隐蔽性，事故发生后上部主体结构基本保持完好。

2 抗倾覆验算原理分析

倾覆现象可以简单的概述为，桥梁上部箱梁在极端活载偏心荷载的作用下，产生的偏载效应值大于结构自身的恒载效应值，上部箱梁将绕某侧支点发生转动，进而导致倾覆失稳的状况。

支座脱空是箱梁发生倾覆的第一步工况，支座出现竖向力为零、失效后，梁体转动导致另一侧支座失去对扭转变形的约束。控制倾覆风险时一方面要预留支座压力储备保证不发生脱空，另一方面要控制箱梁保持结构稳定。

倾覆桥梁的典型破坏流程为正常状态、某个正常受压支座出现竖向力为零、某排单向支座依次持续脱空、整联梁体支承体系抗扭失效、梁体发生微小变形、梁体翻转倾覆桥墩破坏。倾覆过程存在两个典型的特征工况：工况1，箱梁的其中一个支座开始出现负反力；工况2，支座的的抗扭体系已经全部失效。《公预规》JTG 3362-2018中规定箱梁桥的支承体系应保持横向稳定，上部箱梁构造受力应按下式进行抗倾覆验算：

稳定效应 ∑Sbk，i=∑Rgki×Li

失稳效应 ∑Ssk，i=∑Rqki×Li

（2）需明确两种工况验算的荷载组合，工况1采用基本组合验算，工况2采用标准组合验算。

（3）明确需要进行抗倾覆验算的结构形式，需同时具备以下特征：采用单向受压支座；采用整体式截面；简支梁或连续梁桥（墩梁固结的结构形式或小箱梁等预制结构无需进行抗倾覆验算）。

对于稳定效应和失稳效应的计算方法，规范要求按照失效支座对有效支座的力矩计算，设计时仅需确定稳定效应和倾覆效应对应的支座反力以及支座间距，即可方便的计算出稳定及倾覆效应。

3 利用MIDAS软件进行抗倾覆验算对比

下面以某跨度45m+70m+45m混凝土连续梁桥为例，对比跨中单支座、双支座（支座间距6m）情况下稳定性。利用Civil软件建立有限元模型。

对于工况1和工况2的验算，重点是要准确提取结构的支座反力结果，而活载反力的提取则需要考虑移动荷载的并发反力结果。Civil中默认的移动荷载反力输出为每个支点反力的最值，即分别输出按每个支点反力影响线峰值位置布置移动荷载的产生反力值。CDN的抗倾覆验算结果分别输出支座反力验算表格和抗倾覆稳定系数验算表格，如表1、表2所示。其中Rgki为恒载反力值，Rqki为活载反力值。∑Sbk，i为抗倾覆效应，∑Ssk，i为倾覆效应。

表1 工况1支反力验算结果单、双支座对比

表2 工况2稳定系数验算结果单、双支座对比

通过对比两种支座布置方案可以看出，当中墩采用连续单支点时，计算得到的横向抗倾覆稳定系数最小值为6.0，而采用双支点方案时，计算得到的横向抗倾覆稳定系数最小值为31.6，因此采用双支点方案更有利于提高桥梁结构的抗倾覆性能。

4 新建桥梁抗倾覆防控设计

4.1 箱梁横向稳定性能影响因素分析

影响上部箱梁横向稳定性能的因素包括：同一桥墩上布设的支座数量、双、三支座横向间距、道路平曲线转弯半径、整联梁体抗扭跨径、整联梁体边中跨比等。

新建桥梁的抗倾覆设计可从调整中墩支座受力体系、提高整体横向稳定性富余和设置额外约束三个方面考虑：

中墩单支座体系的桥墩可加固为墩梁固结，但改变了上部梁体结构的约束条件，仅适用于高墩等柔性墩，需保证墩柱结构配筋以满足规范中的强度、裂缝验算；加大端支点处双支座间的距离，中墩单支座可加固为多支座，上部梁体结构的约束条件保持不变，可以显著提升梁体的抗倾覆性能，缺点是会影响桥梁下方已经规划好的预留空间，需保证墩柱对应的上部横梁结构配筋满足规范中的强度、裂缝验算；在端支点处设置额外横向限位、防转动装置，提供额外约束让梁体保持稳定，在梁体有倾覆危险的时候保证不发生落梁的恶劣事件。

4.2 抗倾覆防控措施

设计阶段拟定结构时应注意：桥墩宜采用横向多支座体系，支座横向间距尽量拉开；当下部桥墩结构受场地条件约束时，中支点墩柱只能采用独柱墩单支座体系时，不宜在同一联连续设置独柱墩。过渡墩和桥台处宜设置可靠的限位措施，防止落梁。

运营阶段需要注意以下措施：应进行现状检测和验算评估，然后根据抗倾覆性能做综合整治；避免重载货车密集、靠边排队；养护维修过程，避免施工堆载和施工车辆靠边停放。

5 已建桥梁抗倾覆加固方案

基于理论及实例分析验算，为确保箱梁整体结构稳定安全，可采取以下方案对建成桥梁进行加固设计：

方案一：中墩放弃原有单支座，改设双支座。边墩处加大支座间距，复核支反力计算，保证在极端不利的工况下支座不出现负反力，保证两侧支座均处于受压状态，上部梁体横向分析保持稳定状态。

方案二：对整联梁体进行顶升施工，将普通受压支座更换成拉压支座，但混凝土梁桥更换支座难度较大，在钢结构桥梁中适用范围更广。

方案三：设置梁体抗拔钢筋，几乎不影响结构原有受力模式，但施工复杂，难度大，需破除桥面铺装、封闭交通，仅在所需拉力较小的情况下适用。

6 结论

连续独柱墩桥梁具有很多优点，但在极端偏心作用下，容易发生由支座失效引发的箱梁倾覆事故，本文结合规范及工程实例，对箱梁抗倾覆能力进行了分析，并提出了设计阶段需要重视的措施及已建成桥梁的加固处理方案，以防事故的发生。