曲线梁桥抗倾覆问题的探讨

邵敏　林战伟

【摘要】近年来发生多起曲线梁桥倾覆事件和不同程度的支座脱空问题，本文主要探讨了曲线梁桥的理论分析方法和国内抗倾覆设计的规范规定，同时将公路规范与铁路规范进行对比。

【关键词】倾覆；支座脱空；加固处理

1 引言

曲线梁桥能很好地克服地形、地物的限制，可以让设计者较自由地发挥自己的想象，通过平顺、流畅的线条给人以美的享受。但是曲线梁桥的受力比较复杂。在曲梁中，由于存在较大的扭矩，通常会出现“外梁超载，内梁卸载”的现象，这种现象在小半径的宽桥中特别明显。另外，由于曲梁内外侧支座反力有时相差很大，当活载偏置时，内侧支座甚至会出现负反力，如果支座不能承受拉力，就会出现梁体与支座发生脱离的现象，通常称为“支座脱空”。

近年来，发生过多起桥梁整体倒塌事故，如2007年10月23日，三辆拉运钢板的奔驰半挂牵引重型货车和一辆轿车由南向北行驶至包头市民族东路高架桥上时，桥面突然发生倾斜，导致两辆载重汽车和一辆轿车随路面倾斜滑到桥底（如图1）。

2009年7月15日津晋高速港塘互通立交匝道桥倒塌事故（如上图2）。其直接原因是：在单车道的A匝道桥上，为避让前方逆行车辆，3辆严重超载车辆密集停置并偏离行车道，车辆外轮距离右侧护栏内缘小于1米，从而形成巨大偏载，导致桥梁梁体向右侧倾斜而引起桥梁倒塌。

发生此类事故的桥梁大多有以下共同点：（1）整体式箱形梁桥；（2）直线桥或平曲线半径较大；（3）重载车靠行进方向右侧边缘行驶或停留；（4）倒塌桥梁大多是长桥，采用了独柱墩单支点设计，端横梁处双支座间距较小；（5）破坏形式表现为整体倾斜倒塌。

此类事故的接连发生也引起桥梁专业人士对曲线梁桥抗倾覆问题的讨论和深思。

2 曲线梁桥理论分析方法

在进行曲线梁桥的空间分析时，将其分解为横桥向和纵桥向两个方向来进行处理，这样可以简化工作量。

横桥向的求解主要是采用横向分布方法求出横向分布系数，主要采用以下三种方法：

（1）梁格理论

梁格理论假定曲线梁桥结构中的主梁与横隔梁是处于弹性支撑关系的格构上，利用结点的挠度和扭角关系找出结力点，然后求出横向分布系数[4]。

（2）梁系理论

将曲线梁桥沿纵向划分成各个主梁单元，横隔梁的刚度均匀的分布在桥面板上，主梁之间的连接用赘余力表示，然后用力法求解。

（3）比拟正交异性曲板理论

将曲线桥结构的主梁与横梁的刚度分别在桥的纵向和横向均摊模拟成扇形正交异性板，以扇形的挠曲微分方程为基础求解[5]～[7]。

纵桥向的分析主要采用以下分析方法：

（1）结构力学法

将曲线梁模拟成杆件系统，然后了利用结构力学的知识理论直接求出梁的内力和变形。

（2）曲杆有限元法

一般采用八自由度的曲杆有限元法。每个节点4个自由度即、、和。

（3）能量法

求得曲線梁桥的总势能，再利用变分原理分析曲线梁桥的内力和位移。

3 设计规范对曲线梁桥抗倾覆的规定

3.1铁路规范

3.2公路规范

《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）中没有明确规定抗倾覆问题的设计，只是要求支座不能脱空。《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2014征求意见稿）中对桥梁抗倾覆问题做了一些不补充。在抗倾覆分析前要满足一下基本假定：

（1）主梁和桥墩要满足强度要求，避免桥梁倾覆前发生强度破坏。

（2）主梁和桥墩要满足刚度要求，避免桥梁倾覆前发生稳定性破坏。

（3）桥台和桥墩为单向支撑。

（4）假设支座为理想点不考虑其支撑面积。

对于曲线梁桥，首先要确定它的倾覆轴线的位置。当桥墩的支座全部位于桥台外侧支座连线的内侧时，桥台外侧支座的连线即为倾覆轴线。当桥墩的支座全部位于桥台外侧支座连线的外侧时，倾覆轴线为桥台外侧支座与跨中支座的连线或者跨中桥墩支座的连线。对于同一座曲线梁桥，它的倾覆轴线可能是多条，这时需要进行多种工况分析以确定最不利情况。曲线梁桥的抗倾覆稳定验算公式如下（公式3.4）：

3.3公路桥规与铁路桥规的联系与不足

公路桥规的抗倾覆系数2.5主要是根据铁路桥规中的抗倾覆设计并根据实际公路中的交通情况，以55t的密集车队作为载荷进行上部结构的验算，然后在将55t的密集车队转换到公路一级荷载最终确定了桥梁的抗倾覆稳定系数为2.5。然而将铁路桥规应用于公路桥规中还有些需要考虑的地方：

（1）铁路中的车道数量少而且行车稳定，公路的车道较多，行驶的车辆种类数量也不断变化有时会超出设计的允许载重；

（2）铁路桥梁桥面窄，梁高，桥面上的轨道自重大对桥梁的倾覆稳定十分有利。公路桥梁桥面宽，梁低，自重也相对较小对桥梁的倾覆稳定不利；

（3）公路桥梁为美观设计以及桥下净空的要求通常设置独柱墩且墩顶支座横向间距较小。

（4）铁路桥规中的抗倾覆稳定系数为1.3，可以理解为超载达到30%即倾覆弯矩达到临界值。在公路桥梁中超载是一个很严重的问题，有些车辆的超载甚至能达到100%-200%。

（5）铁路桥梁中并没有区分简支梁桥和连续梁桥在抗倾覆方面的区别，同时也没有具体说明曲线梁桥的抗倾覆稳定问题。

4 总结

曲线梁桥设计时应注意以下方面：

（1） 连续箱梁下部不宜采用独柱墩。

（2） 当必须设置独柱墩时，尽量减少独柱墩的数量，避免采用连续设置独柱墩的方案。

（3） 下部采用独柱墩的箱梁，上部不宜采用重量轻的结构，如钢箱梁、钢混叠合梁，宜采用混凝土箱梁。

（4） 非独柱墩的墩台支座大间距布置。

（5） 非独柱墩的墩台支座设置在盖梁上时，支座中心线应与桥墩柱轴线重合或尽量靠近，使支座反力直接传递到下部，使盖梁成为一个“只传力，不受力”的构件。

（6） 国内改装车多、车辆超载的现象比较普遍，设计时应保证结构有一定的安全储备。

同时，为避免曲线梁桥出现倒塌事故，曲线梁桥运营过程中应加大管理力度，严禁严重超载车辆上桥，严禁车辆改装。

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