连续梁桥的抗倾覆稳定性设计研究

耿君君

摘要：文章从某连续梁桥的独柱墩引桥出发，以建立有限元模型的方式对该连续梁桥的抗倾覆稳定性进行分析，研究了荷载与连续梁抗倾覆的关系，以及偏心距对连续梁桥抗倾覆稳定性的影响。

关键词：连续梁桥;抗倾覆稳定性;偏心距

0 引言

因具有良好的受力性能，连续梁被广泛应用于基础交通建设中。现有桥梁设计中主要考虑桥梁的强度，而对其抗倾覆稳定性的规定较少。但在汽车超载情况下容易因抗倾覆稳定性不足而导致交通事故的发生。因此，本文将针对连续梁桥抗倾覆破坏进行研究。

1 工程概况

本文以某连续梁桥的引桥段为背景，采用有限元分析软件MIDAS/Civil对其进行建模处理。该连续梁桥的引桥是预应力混凝土连续箱梁桥，基于计算精度，该引桥的有限元模型所划分的单元数有96个，节点数有106个，并且细化了梁段箱室变截面的形状。在模拟时因无法考虑到桥梁截面较小的纵向坡度，因此以应用弹性的方式模拟支座的连接，以刚性连接的方式对支座顶部以及梁体的连接进行模拟，为更好地反映桥梁的受力，以一般支承的方式进行支座底与主墩顶的模拟。具体如图1所示。

2 连续梁桥抗倾覆稳定性分析

2.1 抗倾覆轴线

汽车超载以及偏载等原因会引起连续梁桥发生倾覆事故。桥梁单向支座被动地消除了负反作用力，导致边界条件被破坏而发生失稳现象[1-2]。在计算反倾覆验算时，倾覆轴是首先要确定的条件。对于连续梁直线段的倾覆轴一般认为是桥梁中线最外层的支座线，对于连续梁曲线段一般假设其支座在受压时有正支反力存在，没有多余支座出现在倾覆轴处。以曲线段的特点可知，其倾覆轴加多，具体如图2所示。

2.2 倾覆稳定性荷载模式

本文在桥梁当前运营模式的基础上，综合现有规范要求，在对该桥的倾覆稳定性计算时分别选取了四种荷载模式，具体为：

工况一：公路-Ⅰ级汽车荷载模式，以模拟标准设计荷载;

工况二：1.3倍公路-Ⅰ级荷载，以模拟一般汽车超载的情况;

工况三：10 m间距55 t密排重车，以模拟现场实际的重车车队;

工况四：3倍公路-Ⅰ级荷载，以模拟现场严重超载时的情况。

2.3 各荷载模式下支座反力情况

连续梁桥的曲线段具有较为复杂的受力体系，不管是在何种荷载作用下，其都会有“弯矩-耦合”作用出现[3]。此外，受力较为复杂的还有连续梁桥曲线段里的独柱墩，因是单支座形式的中墩支承方式，相比于双支座而言其平衡性能较差。当较大的反力差出现在桥台内外的支座位置时，容易使其出现负反力以及脱空现象，此时桥梁容易因不平衡的活载以及偏载而出现倾覆破坏。本文将在上述四种工况的基础上，以支座反力法进行分析，鉴于篇幅所限，本文将给出部分试验结果（见表1）。

从实验结果可知，随着荷载不断地增大，桥梁的外侧支座反力不断上升，而桥梁的内侧反力则不断降低。当成倍地增加外荷载时，随之增加的有支座反力，但其內侧支座反力因偏载而不断降低。分析结果的力学特征可知，具有更大反力的是桥梁的外侧以及中墩支座。对桥梁的抗倾覆稳定性以支座反力法进行分析可知，桥梁的内侧支座在四种荷载模式下均不产生负反力以及脱空。因此可推出，该桥不会有倾覆破坏发生。

2.4 抗倾覆稳定性

对于连续梁桥的抗倾覆稳定性而言，无法通过支座反力法进行反映[4]，因此，对于该桥梁的抗倾覆稳定性本文将以倾覆距比法进行研究。

从实验结果可知（见图3），不断加大的荷载作用使桥梁内部支座出现减缩，但无支座脱空情况出现。在超载以及偏载作用下降低了桥梁的抗倾覆能力，相比支座反力法，对其抗倾覆性能以抗倾覆稳定性系数进行分析可知其更加能够反映出桥梁的横向稳定性问题。

因荷载而导致的不平衡力矩是桥梁出现倾覆失稳的根本原因。桥梁的横向稳定性由稳定力矩比上倾覆力矩的数值所决定[5-6]。为使得桥梁具有足够的横向稳定性，应使其比值>2.5。具有最大的倾覆稳定性系数的是公路一级荷载的工况，其值为6.1，比2.5的规范值大。鉴于桥梁支座均处于工作状态，可知在正常荷载作用时桥梁具有较高的抗倾覆稳定性。

基于桥梁设计时优先考虑强度破坏的原则，结合当前桥梁运营时的超载情况，在对桥梁的工况四进行模拟时发现，其仅具有2.1的抗倾覆稳定性系数，小于2.5的规范值，可知该桥梁在超载出现时虽然不会出现强度破坏，但其不具备足够的横向抗倾覆稳定性，因此其不具备足够的安全可靠度。工况二作用时相当于该桥梁具有30%的超载，其值约为0.5倍的工况三，但鉴于工况三下该桥梁的抗倾覆稳定性尚且满足要求，而且目前并不具备统一的荷载验算标准，容易出现过于保守的桥梁设计而无法发挥经济性要求。因此，综合上述分析，本文建议对于桥梁的抗倾覆稳定性荷载的验算应结合桥梁实际交通情况，以可靠度理论的方法进行分析确定。

2.5 支座预偏心对抗倾覆稳定性的影响

连续梁桥的曲线段支座因受到“弯扭-耦合”的作用而使其具有较为复杂的受力，特别是曲线段中的独柱墩支承体系，该处的支座受到压力以及扭矩的双方面作用。因此，为使桥梁结构传递受力的情况有所改善，应合理布置支座，以使其在抗倾覆稳定性中起到较为重要的作用。桥梁的倾覆轴也受到布置支座位置的影响，因此需要对其稳定荷载以及倾覆荷载的作用范围进行重新规划。对于支座预偏心所导致的桥梁抗倾覆稳定性的变化，本文将采取参数控制法进行分析。将研究体系选定为曲线段桥梁的独柱墩，在仅对支座预偏心的效果进行改变的情况下，建立有限元分析程序，以对连续梁抗倾覆稳定性与预偏心之间的关系进行研究分析，所得结果如图4所示。

从实验结果可知，当桥梁的偏心距不同时，桥梁支座均无空隙现象出现，满足相关规范要求。在改变偏心距时，桥梁的3#～5#支座的支反力仅受到较小的影响，反之支反力变化较大的是内侧支座。随着偏心距不断增加，桥梁内侧支座的反作用力也不断上升，对于6#支座而言，其侧向与横向的支撑反作用力成正比关系。因此，该曲线桥支座的受力能够通过偏心距进行调整。

桥梁的抗倾覆稳定性随着不断增大的偏心距而不断增加，促进了桥梁的抗倾覆性能。综上分析可知，在连续梁曲线段的独柱墩处设置的偏心距较为适当时，能够使其内外侧的支座受力情况得到改善，并对其抗倾覆稳定性能有提高作用。

3 结语

本文以某连续梁桥的引桥作为研究背景，对该处的独柱墩梁桥进行分析，所得结果如下：桥梁的支座在不断增加的荷载作用下虽然没有脱空现象出现，能够满足规范的基本要求，但其内侧支座反力有逐渐脱空的趋势;桥梁的抗倾覆稳定性能在工况四的荷载情况下无法满足要求，因此本文建议对于桥梁抗倾覆荷载的验算可结合桥梁实际运营情况进行确定，但其荷载的验算不同于承载力荷载，应优先考虑其倾覆破坏;桥梁的抗倾覆稳定性可通过适当设置的偏心距进行抵抗，在30 cm的偏心距下，桥梁内外侧的支座相对平缓。

参考文献：

[1]杨富光，李井辉.连续梁桥抗倾覆稳定问题分析[J].河南科技，2019（29）：119-122.

[2]周永强.独柱墩梁桥横向抗倾覆加固分析[J].交通世界，2019（21）：114-115.

[3]邢世玲，张 佳，朱利明.独柱混凝土曲线连续梁桥抗倾覆稳定性研究[J].世界桥梁，217，45（5）：33-38.

[4]万世成，黄 侨.独柱墩连续梁桥偏载下的抗倾覆稳定性研究综述[J].中外公路，2015，35（4）：156-161.

[5]李 青.独柱墩连续梁桥抗倾覆的稳定性分析与加固设计方法[J].四川建材，2015，41（4）：133，135.

[6]祁志伟.城市连续箱梁桥横向抗倾覆稳定性分析[D].长沙：中南大学，2013.