一种桥梁抗倾覆分析及加固的方法

潘　迪，李庆择，冀　健

（1.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京市 100082；2.中交公路规划设计院有限公司，北京市 100088）

0　引言

近年来大量市政和公路桥梁都采用了独柱墩接主梁的结构形式，因其具有轻巧、纤细、美观的建筑效果。但是由于独柱桥的下部支撑点只集中于主梁下的某一局部位置，因此容易引起上部结构整体倾覆的问题，全国各地已发生多起此类桥梁的侧倾、侧滑、倾覆事故。因此对这一问题进行研究，具有重要意义。

本文通过筛选桥梁结构形式、跨径组合、设计年代、设计荷载标准、平曲线半径、边墩类型、边墩支座类型及支座间距、中墩支座类型、桥面宽与边支座间距比、车行道宽、箱室底宽等能体现桥梁倾覆稳定性的重要结构参数，在哈尔滨某立交桥中确定抗倾覆分析对象后，根据北京市市政工程设计研究总院有限公司2009年的工作成果，定义两种临界倾覆状态进行抗倾覆稳定性分析。通过施加最不利横向活荷载，分析桥梁的横向抗倾覆稳定性，并提出采用抗拉设施的加固处理方案，使独柱桥梁的抗倾覆稳定性能得到有效加强。

1　工程概况

1.1　哈尔滨某立交介绍

立交由A#、B#、C#和D#桥四部分组成。A#与B#桥为立交的第三层，C#与D#桥为立交的第二层。A#桥A0～A9墩为两联简支空心板梁结构，A9～A12墩为异形连续箱梁，A12～A16墩、A16～A20墩为两联变宽度连续箱梁，A20～A26墩为简支空心板梁结构；B#桥A12～B2墩为连续箱梁，B2～B13墩为两联简支空心板梁结构；C#桥C0～A12墩为异形连续箱梁，A12～C7墩为连续箱梁结构；D#桥D0～D3墩为连续箱梁，D3～D7墩为简支空心板梁结构。桥梁连续箱梁下部结构为独柱或双柱，下接承台桩基结构。在公用墩D0及A16墩为隐盖梁接墩柱再接承台桩基。A12墩为双层盖梁结构，上层盖梁架起A#、B#桥，下层盖梁架起C#桥，盖梁下接墩柱承台桩基；空心板梁下部结构为倒T形盖梁，除A20～A25墩盖梁下为双柱-柱下接桩基，横向用系梁连接外，其余隐盖梁下均为独柱或双柱，柱下接承台桩基结构。A0、B13、D7边墩为重力式桥台扩大基础，A26、C0、C7边墩为重力式桥台桩基结构。总平面示意图如图1所示。

对比桥梁结构形式、跨径组合、设计年代、设计荷载标准、平曲线半径、边墩类型、边墩支座类型及支座间距、中墩支座类型、桥面宽与边支座间距比、车行道宽、箱室底宽等参数，总结结构整体特点，并考察各桥抗倾覆能力，见表1。总体来看，从经验分析，中墩固结比中墩铰接抗倾覆能力大，桥面宽与边支座间距比小的抗倾覆能力大。故需要重点复查超载抗倾覆能力的独柱铰接支承结构有五联桥。

本文重点介绍A12～B2、A12～C7两联桥，桥梁的平面图如图2和图3所示。

图1　哈尔滨某立交总平面示意图（单位：cm）

表1　结构特点总结

图2　A12～B2墩平面图（单位：cm）

图3　A12～C7墩平面图（单位：cm）

2　桥梁倾覆的临界状态

北京市政院的研究成果对桥梁倾覆的临界状态定义如下。

2.1　中墩全部采用支座的独柱支承梁式桥

中墩铰接独柱支承梁式桥的倾覆破坏均首先表现为边墩支座脱空，然后出现中墩支座转角超限，最终发生结构整体倾覆。虽然中墩支座转角超限后，结构并没有整体倾覆，但结构状态已很难把握，计算模拟困难，因此为保证结构安全、便于实际操作，将结构倾覆过程中结构体系发生变化的两个确定状态，即边墩支座出现脱空和中墩支座转角达到0.03 rad作为中墩铰接独柱支承梁式桥的倾覆临界状态，其中边墩支座出现脱空为第一倾覆临界状态，中墩支座转角达到0.03 rad为第二倾覆临界状态。

2.2　有固结墩柱的独柱支承梁式桥

对于采用中墩固结的独柱支承的梁式桥，在偏心荷载作用下，随着主梁扭转效应的增加，墩柱及基础所受横向弯矩及水平剪力逐渐增大，当其内力超出其承载力时，墩柱或基础发生破坏，从而导致主梁倾覆。因此将固结墩承载力达到限值时作为此类桥梁倾覆临界状态。

独柱支承梁式桥倾覆稳定安全系数可按如下方法计算：

式中：k为结构抗倾覆安全系数；Sp为倾覆最不利荷载工况的规范汽车荷载（对于中墩为支座形式，中支点支座转角达到0.03rad；对于中墩为固结形式，中墩达到正常使用极限状态时），荷载系数按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）第4.1.6条选取；Sq为考虑初始倾覆效应后，实际值K倍的Sp。

当验算一种或几种偏心荷载作用下结构的稳定性时，对结构初始状态的把握至关重要，初始状态出现偏差将直接导致得出错误的验算结论，给结构安全带来隐患。独柱支承梁式桥的倾覆稳定为空间受力行为，尤其对于曲线梁桥，自重、二期恒载、混凝土收缩、徐变、预应力荷载及温度效应所产生的扭矩和扭转变形对结构倾覆稳定性影响较大，必须准确计入。

图4　A12～B2墩桥梁立面图（单位：cm）

3　A12～B2墩现浇连续箱梁（直线桥）抗倾覆复核验算

3.1　结构简介

如图4所示，A12～B2联为直桥，跨径为（29+35+25）m，主梁宽度 9.4 m，梁高 1.6 m，采用C50混凝土现浇。边墩为板式橡胶支座，左右墩支座间距分别为3 m和3.4 m。中墩为双向固定盆式支座。抗倾覆计算时按扭转最不利在桥梁的一侧进行偏载布载，考察边墩支座反力和中墩转角变形。车道偏心2.85 m,该桥最多布置一个车道。A12～B2墩主梁结构计算模型如图5所示。

图5　A12～B2墩主梁结构计算模型

3.2　计算结果及结论

由于该桥中墩与主梁间为固定支座连接，属于无固结墩柱的独柱支承梁式桥，因此应验算达到其对应倾覆临界状态（边支座脱空时）时的倾覆稳定性，并相应给出次中墩处支座转角计算结果。

经过验算，当行车荷载为1倍规范标准荷载时，桥梁整体结构倾覆验算满足相关规范要求；当行车荷载为规范标准荷载的1.2倍时，桥梁边墩支座处于脱空临界状态。所以该桥的抗倾覆安全储备值为1.2倍车道荷载，如图6所示。

根据计算结果得知，在活荷载达到1.5倍标准规范荷载时，边墩支座的最大拉力为199kN，根据该值对桥梁边墩采取抗倾覆措施，以满足结构边墩支座的抗拉需求，如图7所示。

图6　恒载+1.2倍活载时的反力(开始脱空)（单位：kN）

图7　恒载+1.5倍活载，边墩要抵抗负反力-199 kN（单位：kN）

4　A12～C7墩现浇箱梁（曲线桥）抗倾覆复核验算

4.1　结构简介

如图8所示，A12～C7联为5跨预应力混凝土连续弯箱梁，跨径（4×35+30）m，主梁均宽 15.21 m，梁高1.6 m，采用C50混凝土现浇。主梁弯曲半径172 m，中墩采用固定盆式橡胶支座，边墩为F4滑板支座，A12墩 4块，间距3×3.34 m，C7墩设置3块，间距（3.69+3.71）m。抗倾覆计算时按扭转最不利在桥梁的一侧进行偏载布载，考察边墩支座反力和中墩转角变形。汽车活载偏心4.16 m,该桥可布置两条车道。A12～C7墩主梁结构计算模型如图9所示。

图8　A12～C7墩桥梁立面图（单位：cm）

图9　A12～C7墩主梁结构计算模型

4.2　计算结果及结论

该弯桥的抗倾覆能力较弱，恒载反力为591 kN，温度荷载负反力为-104 kN,规范汽车活载下的反力为-1 300 kN。加载到0.37倍的汽车荷载下即发生第一次脱空（见图10），加载到1.15倍的汽车荷载下即发生第二次脱空。加载到2.1倍规范汽车荷载时，中墩最大转角达到0.03 rad，即抗倾覆系数为2.1；加载到2.5倍规范汽车荷载时，中墩最大转角达到0.049 rad。汽车活载加到规范荷载的1.5倍时需要克服的边支座负反力为-1 464 kN，如图11所示。汽车活载加到规范荷载的2.5倍时需要克服的边支座负反力为-2 766 kN，如图12所示。

图10　恒载+0.37倍汽车活载+降温时边支座临近脱空（单位：kN）

图11　恒载+1.5倍汽车活载+降温，边墩要抵抗最大反力-1 464 kN（单位：kN）

图12　恒载+2.5倍汽车活载+降温，边墩要抵抗最大负反力-2 766 kN（单位：kN）

5　结语

总结二联桥梁的抗倾覆系数，直桥取第一次脱空的活载系数，弯桥取第一次和第二次脱空的活载系数。直桥按1.5倍活载最不利布置查看最大支座负反力，弯桥按2.5倍活载最不利布置查看最大支座负反力，以此作为加固的参数，见表2。

表2　需加固二联桥计算结果汇总

抗拉设施采用支座抗震设施（纵向活动式），按每个桥梁抗拉设施设计拉力900 kN考虑。

对抗倾覆能力不足的弯桥A12～C7边墩内外侧各加 4套（900 kN×3=2 700 kN＜2 766 kN），中墩内外侧各加2套；抗倾覆能力不足的直桥A12～B2（抗倾覆系数1.2）边墩各加一套，中墩不加。施加抗震设施后，桥梁的运营情况良好，桥梁抗倾覆能力显著提高。根据对该立交的后期交通观察，并没有发生倾覆滑移的问题，认为这种计算和加固的方法是可行和有效的，具有较好的工程指导意义。