独柱支撑连续梁桥抗倾覆稳定性研究综述

牛鹏飞/石家庄铁道大学



独柱支撑连续梁桥抗倾覆稳定性研究综述

牛鹏飞/石家庄铁道大学

【摘 要】如今在日益拥挤的城市化交通进程中，城市立交逐渐成为了城市中心线路以及主干线路中不可缺少的项目。在进行城市立交建设中，独柱支撑曲线梁桥的出现完美的解决了桥梁线性、桥下净空、视野开阔度等对于城市立交来说很关键的问题。同时面对日益增加的车辆荷载，独柱梁桥抗扭能力比较弱，在偏载严重的情况下便有倾覆的危险。中国对于此问题并没有成熟的理论设计方法以及规范，因此，本文将对如今各领域针对独柱梁桥抗倾覆性能稳定性研究进行综述，提出建议。

【关键词】独柱梁桥；抗倾覆稳定性；综述

近年来，我国城市立交桥梁和干线公路桥梁一般选取独柱现浇的结构形式进行建造，这种结构形式比较轻巧，并且能够满足城市立交对于建设用地、以及桥下净空等方面的要求，同时结构美观在一定程度上减少工程造价。因此普遍被城市立交所采用。但是，独柱墩连续梁桥在结构受力方面存在着自身的不足，独柱墩在桥梁横向是单点支撑的形式，当桥梁面对严重偏载时，结构便会出现失稳情况，严重时会使支座发生脱空现象进而出现桥梁的倾覆，为行车带来很大的危害。例如，2009年津晋高速公路连续独柱墩匝道桥倾覆，2011年浙江上虞立交桥独柱墩引桥侧翻，2012年哈尔滨群力路高架桥独柱墩桥整体侧翻等，因此独柱墩连续箱梁桥结构存在严重的安全问题有待解决。本文将研究独柱墩桥梁的倾覆稳定性，得出其发生倾覆破坏的原因，总结抗倾覆研究成果，为研究者在此方向的研究工作提出有力参考。

一、独柱墩梁桥受力及破坏特点分析

独柱墩梁桥由于采用了独柱支承，因而具有一些较独特的受力性能。独柱墩连续梁桥可以按中墩为铰接或固结、主梁为直梁或曲梁进行分类，这样可以准确反映结构的倾覆破坏特征。独柱墩在工作当中有下面几点特征。

1.如今的公路桥梁都不可避免的面对汽车超载的情况，有些车辆则会出现严重超载影响桥梁工作。而在独柱墩梁桥工作中重点考虑的就是偏心荷载，严重的偏心荷载会使梁体产生巨大的扭矩，在面对连续梁桥时，这种扭矩会很大，如果在桥梁的初期设计过程中忽略此项影响，就很可能使桥梁在运营过程中抗扭不足，发生破坏。

2.独柱墩使以偏心受压的状态工作，这样当面对较高的桥梁建造时，墩柱较大的长细比在面对偏心受压的情况时，就可能会发生偏压破坏。

3.独柱墩梁桥在运营过程中不可避免的会遇到许多特殊情况而这些情况并不会对那些非独柱墩桥型的桥梁带来实质性的伤害，比如桥上出现重载型车辆堵车，偏心活载以及恒载会使独柱墩梁桥的边墩支座的远离荷载作用一侧出现拉应力严重时发生支座脱空的情况。这时的桥梁就会出现整体失稳的可能，甚至导致倾覆破坏。

二、独柱连续梁桥抗倾覆稳定性验算方法研究现状

由于对曲线梁桥的研究投入较少，研究相对比较薄弱，导致成果较少，也直接影响到了实际曲线梁桥工程中的设计施工参考和依据。目前国外对曲线梁桥的设计指导规范也只是少数，并且规范并不完整。而我国现行的公路桥涵规范中对曲线梁桥也是缺少相应的施工和设计规范。

（一）支座反力法

自桥梁倾覆问题引起重视以来，大部分研究者对独柱墩连续梁桥的抗倾覆计算和设计都以控制支座反力为主要手段。现行JTGD60-2004《公路桥涵设计通用规范》中3.5.8条和JTGD62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中9.7.4条中均只有禁止支座脱空的要求，而这些要求主要是针对支座本身而言，缺少对桥梁抗倾覆稳定性的相关规定。

（二）稳定系数法

倾覆临界状态在判别桥梁的抗倾覆稳定性之前，须定义倾覆临界状态。独柱墩连续梁桥在倾覆过程中经历两种倾覆临界状态：一是边墩支座脱空；二是中墩支座转角超限。通常，直桥由第一状态控制，弯桥由第二状态控制。对于采用中墩固结的独柱墩梁桥，在偏心荷载作用下，往往承载能力极限状态先于倾覆临界状态，建议不列入抗倾覆研究范畴。

倾覆稳定安全系数的概念在桥梁中最早被用于验算墩台的整体稳定性。利用稳定系数法进行独柱墩连续梁桥的抗倾覆分析，较支座反力法更为合理。文献针对同一倾覆模型的验算结果显示，采用稳定系数法没有通过，而采用支座反力法却通过了。这并不意味着稳定系数法更保守，而是说明支座反力法不能正确地反映桥梁倾覆的实际状况。在《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2012）征求稿4.1.9中首次提出了对桥梁上部结构抗倾覆稳定性的验算问题，指出中小跨径整体式断面（如箱梁截面）桥的上部结构抗倾覆稳定系数应满足式的要求：

式中： γqf--抗倾覆稳定性系数；

同时规定在考虑汽车荷载冲击作用的标准值组合效应下，桥梁的单向受压支座不能脱空。

三、独柱梁桥抗倾覆影响因素研究现状

影响桥梁抗倾覆稳定性的因素是多方面的，主要包括：设计年代、跨径组合、桥梁结构形式，设计荷载标准、平曲线半径，边、中墩类型，边、中墩支座类型、中墩支座预偏心距、桥面宽与支座横向间距的比值等。有学者认为在虽然影响独柱墩梁桥抗倾覆性能的因素有很多，但是桥面宽与支座横向间距比对桥梁抗倾覆稳定性起决定作用，如果比值越大，抗倾覆稳定性就越差。

近几年来，中国一些学者采用有限元方法建立了大量独柱墩连续梁桥的仿真模型，系统分析和总结了影响该类桥梁抗倾覆稳定性的主要因素，如曲率半径、桥梁长度、联端支座间距、中墩支座预偏心距等。结果表明：曲率半径越小，桥梁长度越长，联端支座的负反力越大；增大联端支座间距，能有效提高桥梁的抗倾覆能力；合理预设中墩支座偏心距，可使联端支座反力分布更为均匀，改善桥梁的受力性能。中墩支座合理预偏心距设置是一个优化问题，需综合考虑多重影响因素，且对于不同曲率半径的独柱墩连续梁桥其侧重点有所不同。可以设定相应的目标函数，采用分析软件提供的优化设计模块和参数化设计语言，通过计算机寻求合理的预偏心数值，所以在面对设置预偏心距离时，应在达到规范以及桥梁受力设计要求的基础上优化设计，最终选择出所要选取的偏心数值，以提高整体稳定性。

四、结语

独柱墩梁桥由于其结构上的优势包括净空、视野问题、以及能够达到城市立交在互交上的要求以及在造价上存在很大的优势，并且从以及发生的件件事故中可以发觉其仍然存在抗倾覆性能上的问题。本文在总结前辈研究方法以及成果的基础上分析理论、提出对比，以得出研究者在今后的研究工作中应该重点着手的问题，为其提供有力参考。

桥梁墩台及基础在各种外部因素的长期作用下，会出现不同程度的病害，这些病害造成的墩台破坏会导致上部拱圈产生裂缝，上部拱圈开裂又会反过来继续加剧桥梁墩台的破坏，二者的破坏相互影响。基础与墩台的常见病害及原因有：

（一）基础或墩台的差异沉降、位移和转动

过大的外部荷载及地基承载力的不足往往会造成墩台和基础发生位移及转动，从而导致拱桥上部结构出现附加内力，严重的甚至会导致某些构件的开裂。

（二）基础被掏空、墩台冲蚀严重

调查发现：某些石拱桥墩台及基础由于长期的流水侵蚀，造成材料强度不断下降，基础的整体性受到严重威胁；早期建设的一些石拱桥防冲刷设置不合理，甚至没有采取相应措施；一些桥梁下游非法采砂，造成水流加速，冲击作用增强。

以上因素造成部分石拱桥的基础掏空，墩台受到严重的侵蚀，具体表现为：

（1）一些桥梁的扩大基础基底和表面被冲刷严重甚至被掏空；（2）桩基础承台出现悬空；（3）墩台表面岩石和砌筑砂浆冲刷外漏，甚至出现颈缩现象