公路與城市道路橋梁抗傾覆設(shè)計(jì)

1、       公路與城市道路橋梁抗傾覆設(shè)計(jì)                     摘要：在公路和城市道路工程中，橋梁是較為重要的組成部分之一，橋梁主要由下部墩柱基礎(chǔ)和上部梁體構(gòu)成。為確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)在橋梁工程建設(shè)中，對(duì)抗傾覆設(shè)計(jì)予以重點(diǎn)考慮，并對(duì)抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行合理取值。下面本文就對(duì)此展開探討。關(guān)鍵詞：公路；城市道路；抗傾覆設(shè)計(jì)；1 橋梁橫向傾

2、覆失效的機(jī)理1.1 內(nèi)在因素的影響橋梁設(shè)計(jì)重視豎向平面內(nèi)抗彎和抗剪性能設(shè)計(jì)，經(jīng)常忽視橋梁橫向穩(wěn)定性問題，使得橋梁設(shè)計(jì)出現(xiàn)構(gòu)造不合理。受橋梁本身構(gòu)造不合理的內(nèi)在因素影響，若橋梁長(zhǎng)期受到極端荷載的作用，則會(huì)使橋梁發(fā)生橫向轉(zhuǎn)動(dòng)。橋梁抗傾覆設(shè)計(jì)重點(diǎn)為橋梁是否為獨(dú)柱墩型設(shè)計(jì)，以及端支座的位置設(shè)計(jì)。對(duì)于獨(dú)柱墩橋梁而言，橋梁橫向支撐位置設(shè)計(jì)不當(dāng)，主要表現(xiàn)為橋梁橋面寬度過大造成橫向傾覆失效。如，曲線橋梁受彎扭耦合效應(yīng)的作用，內(nèi)側(cè)支座容易出現(xiàn)脫空，導(dǎo)致橋梁橫向傾覆；直線橋梁最外側(cè)支座連線即為橋梁橫向傾覆軸，當(dāng)最外側(cè)支座位置設(shè)計(jì)不合理時(shí)，則會(huì)影響橋梁抗傾覆的穩(wěn)定性。1.2 外在因素的影響根據(jù)以往橋梁傾覆倒塌資料統(tǒng)

3、計(jì)，其傾覆的主要原因是；多輛超載重載車輛同時(shí)行駛于外側(cè)車道上，可見，多輛、超載、同一時(shí)間段為主導(dǎo)因素。例如：哈爾濱市及無(wú)錫市等類似的高架橋傾覆坍塌事件，不僅帶來(lái)了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，而且?guī)?lái)了很大的傷亡，教訓(xùn)深刻。橋梁傾覆系數(shù)是抵抗彎矩與傾覆彎矩之比，其中抵抗彎矩是梁體恒載作用下對(duì)傾覆軸的穩(wěn)定力矩，傾覆彎矩是在活荷載作用下引起傾覆的彎矩和。在抗傾覆設(shè)計(jì)中，按規(guī)范規(guī)定，在結(jié)構(gòu)體系不發(fā)生改變的前提下，同時(shí)滿足支座不脫空和橋梁傾覆系數(shù)不小于 2.5。2 橋梁傾覆背景及相關(guān)理論分析2.1 橋梁傾覆背景現(xiàn)階段，箱梁結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外市政高架、立交樞紐、公路互通匝道等結(jié)構(gòu)。為滿足通行要求，橋下受限時(shí)，常采用

4、獨(dú)柱式橋墩結(jié)構(gòu)，減少占地空間，自 2007 年以來(lái)，橋梁傾覆事件時(shí)有發(fā)生。事件一：發(fā)生在內(nèi)蒙古包頭市的一起高架橋傾覆事件，事發(fā)起因，2007 年 10 月 23 日在該橋偏載通行的超載100t 的三輛車，引發(fā)傾覆事件，經(jīng)過調(diào)查，此橋梁的結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)為下部為小間距雙支座花瓶墩，是貨車嚴(yán)重超載所引發(fā)的主梁繞中心軸一側(cè)支座傾覆；事件二：2009年天津津晉高速港塘收費(fèi)站 800m 外匝道橋坍塌事故，該匝道橋上部結(jié)構(gòu)為17.5m22m22m17.5m 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)連續(xù)箱梁，事件發(fā)生后，經(jīng)過相關(guān)部分核查，通過此路段的5輛載貨車的3輛車屬于嚴(yán)重超載，每輛載貨車的重量約為140t，屬于重車偏載通行

5、，而掉落橋下的橋面則基本完好；事件三：2010年南京內(nèi)環(huán)南延項(xiàng)目?jī)A覆事件，經(jīng)過調(diào)查，此事件不僅造成橋梁傾覆，而且人員傷亡重大，此事件發(fā)生主要因現(xiàn)場(chǎng)操作人員沒有嚴(yán)格按照施工工序操作引發(fā)的，該橋梁為上部結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支鋼箱梁，橋梁下部結(jié)構(gòu)為小間距雙支座；事件四：粵贛高速?gòu)V州往河源方向城南出口匝道橋坍塌事故，該橋上部結(jié)構(gòu)為 3m×25m 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)連續(xù)梁橋，下部結(jié)構(gòu)為單支座獨(dú)柱墩，通過相關(guān)部門的現(xiàn)場(chǎng)核查，事件起因也是超截 120t的三輛卡車偏載通行引發(fā)的，主梁墜落后，也是保持著完好的狀態(tài)。從以上傾覆橋梁的結(jié)構(gòu)型式和傾覆發(fā)生時(shí)車輛統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，這些橋梁在結(jié)構(gòu)類型、事故原因和破壞特征基本相同，

6、橋梁結(jié)構(gòu)型式主要為箱型截面，支承體系主要為單支座或小間距雙支座，事故原因是因?yàn)槠暮奢d作用，以上幾種原因?qū)е聝A覆事件的發(fā)生。2.2 梁橋彎扭耦合理論彎扭耦合現(xiàn)象使得曲線梁橋在橋梁的內(nèi)外梁的受力模式以及結(jié)構(gòu)響應(yīng)存在較大的差異，曲線梁橋的彎扭耦合作用符合拉索夫微分方程，該微分方程如式(1) 、式(2) 、式(3) 所示，基于上述理論曲線梁橋具有以下特征: 橋的內(nèi)外側(cè)梁產(chǎn)生變形，同時(shí)，內(nèi)外不一致; 曲線梁橋受到軸向力; 車輛在曲線梁橋上行駛將會(huì)產(chǎn)生一定的離心力; 曲線梁橋內(nèi)外側(cè)梁受力非均勻分布。 （1） （2） （3）式中: e、g 分別為彈性模量和剪切模量; ix、iy分別表示繞 x、y 軸的慣性

7、矩; id、iw分別為 z 軸的慣性矩和彎梁截面的扇形慣性矩。2.3 橋梁橫向抗傾覆驗(yàn)算方法規(guī)范中規(guī)定箱梁橫向傾覆系數(shù)的計(jì)算方法如式(4) 式(6) 所示: （4） （5） （6）式中: qf表示橋梁橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù); ssk表示使橋梁上部結(jié)構(gòu)橫向傾覆的移動(dòng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng); sbk表示使得橋梁上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合。3 公路與城市道路橋梁抗傾覆設(shè)計(jì)方法3.1 工程概況某公路項(xiàng)目中的一座高架橋，主線為連續(xù)箱梁，跨度30m，最大和最小橋?qū)挿謩e為 20.5m 和 13m，匝道橋位于曲線段上。因該工程所在地對(duì)橋梁景觀的要求比較高，所以經(jīng)方案比選之后，最終主線橋與匝道橋全部采用大懸臂斜腹板箱梁

8、和直立式啞鈴型實(shí)體薄壁墩。由于受到橋墩橫向?qū)挾鹊南拗?，加之匝道橋位于曲線之上，使得抗傾覆成為該橋梁設(shè)計(jì)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。應(yīng)當(dāng)在保證結(jié)構(gòu)安全性、經(jīng)濟(jì)性和美觀性的前提下，提出科學(xué)合理、切實(shí)可行的抗傾覆設(shè)計(jì)方案。3.2 設(shè)計(jì)思路橋梁結(jié)構(gòu)抗傾覆設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)對(duì)相關(guān)尺寸進(jìn)行初步擬定，如橋墩橫向?qū)挾龋枰攸c(diǎn)考慮的因素包括橋?qū)捙c墩寬的協(xié)調(diào)性、箱梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性等。具體擬定的過程中，充分考慮對(duì)橫向抗傾覆不利的汽車荷載工況，進(jìn)行有限元計(jì)算，分別計(jì)算出恒荷載作用下的穩(wěn)定效應(yīng)和汽車荷載作用下失穩(wěn)效應(yīng)，得到能夠滿足橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)超過 2.5 的橫向支點(diǎn)的最小間距，在此基礎(chǔ)上，以支座的布設(shè)空間為前提條件，對(duì)橋墩的最小橫

9、向?qū)挾冗M(jìn)行合理確定。3.3 抗傾覆計(jì)算在本項(xiàng)目中，應(yīng)當(dāng)對(duì)支座反力及上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算，具體如下：對(duì)于直線橋而言，其傾覆旋轉(zhuǎn)軸是所有外側(cè)支點(diǎn)在縱向上的連線，而曲線橋與直線橋則存在一定的差別，它的支點(diǎn)連線位于弧線之上。所以在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，需要找到最不利的傾覆旋轉(zhuǎn)軸。采用常規(guī)的方法對(duì)連續(xù)箱梁橋進(jìn)行抗傾覆計(jì)算，步驟比較繁瑣，其實(shí)在旋轉(zhuǎn)線外弧側(cè)的橋面面積越大，在外力的作用就會(huì)更大，發(fā)生傾覆事件的幾率就會(huì)更高。當(dāng)這個(gè)面積達(dá)到一定程度時(shí)，橋梁將會(huì) 100%出現(xiàn)傾覆?；谝陨显恚凑毡竟こ讨ё牟荚O(shè)詳情，可以確定最容易發(fā)生傾覆的連線是 13# 墩柱的外側(cè)支座到 14# 墩柱外側(cè)支座的連線，如圖

10、1 所示。圖 1 最不利傾覆軸線當(dāng)箱梁處于即將傾覆的階段時(shí)，只有 13# 和 14# 橋墩的外側(cè)支座受力，此時(shí)的計(jì)算模型僅對(duì)這兩個(gè)支座進(jìn)行保存即可。由傾覆的實(shí)際過程可以獲悉其產(chǎn)生的原因，即向圓弧內(nèi)外兩側(cè)的扭矩出現(xiàn)明顯的差異。因此，可以在支座連線的中間位置處施加一個(gè)抗扭約束，并以支座連線作為坐標(biāo)系中的 x 軸，然后依托雙重荷載下的扭矩，這樣就能很快算出橋梁結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩，得到穩(wěn)定系數(shù)，據(jù)此對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗傾覆設(shè)計(jì)。依據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)在直線段上的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)取值范圍為不小于 2.5；在曲線段上，取值范圍為 4.0-15.0，這個(gè)取值范圍能夠滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求，從而確保橋梁結(jié)構(gòu)的整體

11、安全性。3.4 抗傾覆設(shè)計(jì)體會(huì)（1）對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)而言，影響抗傾覆和各個(gè)支點(diǎn)反力的主要因素為支點(diǎn)本身的橫向間隔距離。通過本次抗傾覆設(shè)計(jì)，在計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，每個(gè)支點(diǎn)只會(huì)對(duì)自身的反力產(chǎn)生較大的影響，但卻并不會(huì)影響到其它的支點(diǎn)反力。鑒于此，在公路橋梁抗傾覆設(shè)計(jì)中，可以采用以下墩柱形式來(lái)拉開各個(gè)支點(diǎn)之間的橫向距離：t 型墩柱、y 型墩柱、門式墩以及雙柱墩等。（2）當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)的橫向間距受到限制，此時(shí)產(chǎn)生的反力可能為負(fù)值，即負(fù)反力。針對(duì)該情況，在進(jìn)行抗傾覆設(shè)計(jì)時(shí)，連續(xù)墩柱可以采用設(shè)置偏心獨(dú)立支座的方法。如果是柔性結(jié)構(gòu)的連續(xù)高墩，那么可以采用墩與梁體相互固結(jié)的方式，并在過渡段設(shè)置拉力支座。（3）通常情況下，箱梁內(nèi)

12、側(cè)與外側(cè)的反力應(yīng)當(dāng)保持均勻一致，但是曲線半徑會(huì)對(duì)箱梁反力產(chǎn)生一定的影響，從而導(dǎo)致內(nèi)外側(cè)的反力不均勻，由此會(huì)增大箱梁向外弧側(cè)傾覆的可能性。因此，支點(diǎn)應(yīng)當(dāng)向外側(cè)設(shè)置偏心，以反力均衡作為原則，在充分考慮偏心彎矩的基礎(chǔ)上，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行合理布設(shè)。（4）曲線半徑對(duì)橋梁跨徑與邊中跨的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過對(duì)支點(diǎn)反力的影響，所以必須在抗傾覆設(shè)計(jì)中加以重視。通常情況下，恒荷載的反力儲(chǔ)備比較多時(shí)，負(fù)反力出現(xiàn)的可能性非常小，即便有反力出現(xiàn)也都是正反力。故此，在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗傾覆設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大容易出現(xiàn)負(fù)反力墩臺(tái)側(cè)的跨徑，也可以減小相鄰跨徑，借此來(lái)增加墩臺(tái)的恒荷載儲(chǔ)備，避免發(fā)生傾覆。（5）超偏載作用下支座抗傾覆系數(shù)對(duì)

13、比各曲線梁橋支座抗傾覆系數(shù)對(duì)比見圖2 所示，分析可知: 當(dāng)曲線半徑小于 500m 的時(shí)候，曲線半徑的變化所引起的橫向抗傾覆系數(shù)的變化較小，幾乎可以忽略不計(jì); 當(dāng)曲線半徑接近于無(wú)窮(直線梁橋)的時(shí)候，12#支座橫向抗傾覆系數(shù)可提升158.64%，15#支座橫向抗傾覆系數(shù)可提升257.4%，13#支座橫向抗傾覆系數(shù)可提升 293.33% ，14#支座橫向抗傾覆系數(shù)可提升137.11%;對(duì)于曲線梁橋橋臺(tái)支座抗傾覆系數(shù)更高，對(duì)于曲線半徑接近于無(wú)窮(直線梁橋)橋墩支座抗傾覆系數(shù)更好。圖 2 支座抗傾覆系數(shù)對(duì)比（6）在橋梁結(jié)構(gòu)中，盆式支座具有橫向約束作用。因此，在抗傾覆設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)充分考慮支座允許的橫向變形（正常為 3.0-4.0mm），通過對(duì)這個(gè)位移的合理釋放，能夠減少橫向反力。如果支點(diǎn)的橫向反力超過豎向反力 10%以上，那么應(yīng)當(dāng)隔墩設(shè)置盆式支座。結(jié)束語(yǔ)綜上所述，在橋梁通車運(yùn)營(yíng)使用過程中由于超偏載、設(shè)計(jì)不當(dāng)、使用期間不確定因素等易出現(xiàn)問題。因此，在今后的設(shè)計(jì)過程中，針對(duì)公路橋梁工程中，抗傾覆設(shè)計(jì)既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，為避免橋梁發(fā)生傾覆失效的問題，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)掌握抗傾覆設(shè)計(jì)方法，通過結(jié)合多年的橋梁傾覆事件的研究，找出有效橋梁抗傾覆設(shè)計(jì)方案，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)抗傾覆進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，保證