连续箱梁桥抗倾覆的分析方法综述及加固方法的探讨

蒋 波

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

由于空间或美学要求的限制，独柱墩目前广泛用于具有连续箱梁桥的构造中。由于缺乏规格或技术限制，当前的支座设计和布置不是很合乎结构的抗倾覆要求，因此，连续箱梁桥发生了过多的倾覆事故，尤其是具有独柱墩的连续桥梁。

分析桥梁的倾覆过程大致如下[1]：(1)连续梁桥在偏载作用下，支座反力逐步减小，导致发生支座脱空。(2)连续梁桥梁体支座脱空后，主梁底面与支座发生脱离，并横向转角增大，端部支座的竖向力发生了重分布。(3)连续箱梁桥的梁体转角超过了一定的限度，端部支座的竖向力发生的重分布引起桥墩和盖梁产生一定的变形，加速箱梁转动。(4)梁体整体倾覆，其间可能发生不同倾覆破坏模式，如支座被挤出，或者中间桥墩在水平力下发生倾倒。

一、抗倾覆验算方法

(一)基于支座反力的抗倾覆验算

(1)

γ为支座的压力比系数；Rb为成桥状态下的支座反力；Rs为偏载作用下，支座的拉力；k-支座的压力比系数(安全值建议用1.5)。

计算时，基于规范的公路荷载或者实际的荷载值，支座反力是使用梁格法或者实体模型等空间有限元计算的方法计算的结果。

(二)抗倾覆稳定性系数验算

规范[2]中第4.1.10条规定了直弯箱形梁横向抗倾覆稳定性的计算方法和安全储备，应检查箱形截面的中小跨径梁的抗倾覆稳定性。抗倾覆稳定性系数应该合乎公式(2)的要求:

(2)

公式中，kqf-箱梁的抗倾覆稳定性系数;

Sbk-促使主梁发生倾覆的汽车荷载(含车辆的冲击效应)效应;

Ssk-促使主梁稳定的作用组合。

针对正交桥梁和斜交桥梁(斜角30°以内),计算它们的抗倾覆稳定性系数的方法见(式3)

(3)

3式中，qk-车道荷载中的均布荷载;

Pk-车道荷载中的集中荷载;

l-主梁的全长;

e-车道的最不利位置至倾覆轴线的最短距离;

μ-车辆荷载冲击系数;

RGi-每个支座的反力(成桥状态);

xi-每个支座至倾覆轴线的距离。

(三)扭转角验算[2]

在倾覆荷载的作用下，一旦支座出现脱空的情况，箱梁就会很容易发生转动，箱梁的整体扭转角应满足下式：

θ≤θu

(4)

公式中：θ是通过实测或者实体模型计算得到的，在偏载作用下，主梁中部截面的扭转角作为箱梁的整体扭转角；θu为允许的箱梁最大扭转角，建议极限倾覆状态取0.045rad或者倾覆验算取0.02rad。

对于连续箱梁桥的抗倾覆计算不能只停驻在线性的理论分析(小位移理论)，抗倾覆的问题分析还需要引进非线性的理论分析(大位移理论)，通过有限元模型进行分析，来模拟求解主梁的支座反力及结构的整体转角。

二、桥梁存在的倾覆问题及加固方法

(一)存在的倾覆问题

(1)多跨度的独柱桥梁大多数是连续箱梁桥，然而箱梁的中心点与当中的很多独柱墩上的单支座重合，车辆超载一旦出现，支点然后就变成了转动轴线，这时箱梁会产生较大的横向弯矩；然而独柱墩在抗扭的性能上不是很强大，就会导致其所受到的横向扭矩越来越强，一旦大于独柱墩的墩柱本身的承载力的状态下，主梁的翻转倾覆就发生了。

(2)立交匝道的独柱墩桥大多用的是弯桥梁，由于其特殊的内部和外部力学特性，以及由于预应力和温度之间的关系，梁箱中的扭矩分配不均匀。另外，由于支座的内外两侧都没有受到均匀的力，在静载荷的影响下，可能会产生负作用，然后会产生偏心载荷，从而导致支座脱空的情况;

(二)抗倾覆措施[3][4]

通常，根据桥梁结构桥、支座和盖梁等来进行加固和改进独柱桥墩的性能。同时，根据桥架的地形和地形的实际情况确定加固方法；目前，主要方法是在独柱墩的顶部增加附加的保护梁，以便将横梁的端部添加到独柱支撑上以增加抗拔的设施：1.独柱墩的墩顶部加设盖梁。作用是：箱梁桥的独柱墩大多是桩柱式的桥墩，墩的刚度比较大，按照墩本身的刚度大多都可以满足了承载力的需求，用在独柱墩的顶面安设盖梁的方法，使独柱墩与盖梁发生结合，让它们形成一个整体，加强了箱梁的抗倾覆性能。不足是：在施工的过程中，一定要控制好实际预应力与施工的预应力两者拥有的疏异性，来保证原来的结构钢筋不会受到损坏；并且对钢筋的施工要求比较严格，前后的支座受力需要具有相同的特性，来保证新旧的盖梁实现完美的融合。2.在独柱墩的单柱处增加桩柱。作用是：通过减小旧桥墩的墩柱受的偏心压力作用，大多靠的是加多桥墩的数量，将独桩墩整改成为双柱墩，就可以加强了箱梁横向抗倾覆的能力。不足是：施工的场地条件要求比较高，需要确保桩基的间距满足要求的状态下，在横向的内外侧加设墩柱，而且确保施工的质量的需求下，要封闭施工的范围。3.端部的横梁加设抗拔类型的构造。作用是：以对独柱墩的两侧加设双支座端横梁的方式，同时往往还在倾覆的外侧加设了一种连接的构件，将端部的横梁与桥台的台帽施加抗拉拔的效应，而且靠梁箱自身的刚度，来增强梁端的梁体抗扭转性能，确保主梁有更强大的安全性能。不足是：抗拔构造的施工要求比较高，需要绕过原桥的结构钢筋，并且合理地处理好布设的孔位，来减小对原本桥的受力钢筋的损坏。

结论

(1)结构的倾覆破坏是在极端的荷载偏移作用下的梁体扭转，会导致支承体系的改变甚至强度破坏进而加速结构的失效；(2)在倾覆的全过程中，非线性的效应显著不可忽视；(3)支座的脱空导致结构的倾覆开始，但是在发生支座的脱空情况下，不一定会发生梁体的倾覆破坏；(4)对独柱墩的桥梁抗倾覆措施方法的研究需要进一步深入，实施更好的加固方案，进而使独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性能够更强大；以造成免独柱墩桥的梁失稳并导致倾覆破坏的事故再次发生，更好地让国家和人民的生命安全得到保证。