小半径曲线连续箱梁桥抗倾覆稳定性设计示例浅析

张金明 梁东伟

(中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176)

1 概述

随着我国社会经济的持续、高速发展，无论是人流还是物流，都对交通运输体系提出了高效快捷的要求。在城市道路中互通式立交、分离式立交和机场、火车站前的枢纽立交得到了广泛的兴建和使用。在各类立交桥、跨线桥和匝道桥中，受用地限制、道路线形、立交净空、周边景观、行车视距等因素影响，曲线设桥和独柱立墩更是屡见不鲜。而近年来，桥梁倾覆事故频发，如2007年10月内蒙古包头民族东路高架桥、2009年7月津晋高速公路港塘收费站外连续独柱墩匝道桥、2011年2月浙江上虞立交桥引桥、2012年8月黑龙江哈尔滨阳明滩大桥引桥、2015年6月粤赣高速广东河源城南出口匝道桥、2019年10月江苏省无锡市锡港路跨线桥事故等。经对各事故调查报告统计分析，车辆超载是造成多数事故的主要原因。国内货运车辆超载运输现象尚未得到有效控制，且超载现象逐渐加剧[2]。国内超载导致桥梁结构破坏形势更为严峻，尤其是独柱墩梁桥[3]。

2018年新版设计规范[1]增加了混凝土箱梁桥抗倾覆验算要求。在实际设计实践中，桥梁抗倾覆能力已成为桥梁设计时必须考虑的重要因素，尤其是针对曲线梁桥、独柱墩梁桥等易发生倾覆破坏的桥型。

2 桥梁抗倾覆设计原理

对于现浇箱梁，尤其是桥面较窄的匝道桥、单支撑的独柱式梁桥，受支座间距较小或单支座等因素导致桥梁自重抗倾覆力矩较小；在汽车荷载等外荷载极限布载或超载的情况下，产生的倾覆力矩大增，从而发生倾覆失稳的几率大增，使桥梁处于超负荷的状态。2018年新版设计规范[1]的倾覆条文指出，事故桥梁的破坏过程表现为：单向受压支座脱离正常受压状态，上部结构的支承体系不再提供有效约束，上部结构扭转变形趋于发散、横向失稳垮塌，支座、下部结构连带损坏。规范将倾覆过程分为2个明确特征状态：特征状态1——箱梁的单向受压支座开始脱空；特征状态2———箱梁的抗扭支承全部失效。

2018年新版设计规范[1]与英国规范(BS500)均明确指出，稳定作用效应为成桥状态结构恒载产生的稳定力矩，倾覆荷载效应为汽车荷载产生的倾覆效应。抗倾覆稳定系数的计算公式如下：

其中，kqf为横桥向抗倾覆稳定性系数；∑Sbk,i为使上部结构稳定的效应设计值；∑Ssk,i为使上部结构失稳的效应设计值。

3 桥梁抗倾覆设计示例

3.1 工程概况

承德南站站前交通枢纽包括地面人行交通系统、地面机动车通行系统和高铁站房二层衔接的机动车高架桥系统。受用地限制，高架桥系统在站前场地内通过四条匝道落地与周边市政道路衔接，线位布置较紧凑。本次选取较具代表性的D匝道桥第二联(19.736 m+2×19 m+20 m)为例进行设计计算，最小曲线半径77 m，桥梁上部结构为钢筋混凝土连续箱梁，下部结构为桩柱式桥墩、薄壁式桥墩、薄壁式桥台(见图1～图3)。

3.2 总体设计

由于桥下空间设置有地下车库、地下道路、地下车库通道等设施，本桥在设计时考虑了以下几点：

1)桥梁布孔避让地下车库、地下道路、地下车库通道等设施的同时，考虑桥梁位于小半径圆曲线，为使桥梁跨径的比例均衡、受力合理，采用4孔接近等跨布置；

2)为了避让车库进出口及预留车库施工空间、尽量减少偏心弯矩对墩柱构造的影响，D4号桥墩采用独柱墩形式，墩柱与主梁固结并考虑设置偏心；

3)考虑外形美观，D3,D5,D6号桥墩采用薄壁式桥墩，并在桥梁跨径布置时注意避让地下道路及地下道路支护结构。

经过综合分析，选定桥跨布置为19.736 m+2×19 m+20 m，除D4墩采用独柱墩外，其余桥墩采用双支座薄壁式桥墩，桥台采用薄壁式桥台。

3.3 结构分析

计算分析使用有限元软件Midas Civil进行建模分析，采用杆系单元建立桥梁模型，桥梁平面按实际线形建模。汽车荷载采用城—A级；结构重要性系数取1.1。计算模型如图4所示。

3.3.1独柱墩墩梁固结分析

本桥D4墩为边墩，受场地布置限制采用独柱墩，且墩高较矮，仅8 m。对于独柱支撑的小半径弯梁桥，墩梁固结对梁体竖向剪力、纵向弯矩的影响很小，但对横向弯矩影响较大[4]，可考虑作为抗倾覆的稳定措施采用。通过对D4墩梁固结(其余墩设活动支座，下同);D4设固定支座;D6设置固定支座三种工况进行计算分析(见表1)，可以看出墩梁固结对支座受力改善明显，各支座均处于受压状态；其余两种工况出现不同程度的支座受拉状态，不满足规范要求。

需要指出，在墩身较矮的情况，采用墩梁固结支撑时，边墩墩底截面横向弯矩和纵向弯矩一般都较大，在墩底截面将产生较大拉应力[4]，墩身配筋设计时需要格外注意。

表1 标准组合最小支反力汇总表(单位：kN；正为受压，负为受拉)

3.3.2独柱墩设置偏心分析

基于桥梁发生倾覆破坏的实质是在上部荷载作用下梁体围绕其轴线发生横向转动，梁体自重通过支座尺寸或线型参与抗倾覆[3]，对曲线桥梁的独柱墩支撑点预设偏心可有效提高自重的抗倾覆力矩，改变转弯轴线位置。本桥通过对D4桥墩处支撑点:

1)不设置偏心;

2)向曲线外偏心0.5 m;

3)向曲线外偏心1.0 m三种工况计算分析(见表2)，可以看出合理偏心设置对支座均衡受力作用明显。

表2 匝道桥预设偏心恒载反力计算汇总表 kN

3.3.3影响抗倾覆性能的其他因素

根据计算模型，提取各支撑点最不利工况下不同荷载作用下的极端反力值，见表3，可以看出除恒载作为抗倾覆的稳定力矩外，其他荷载作用均产生不同程度的不利影响，其中汽车活载影响最大。在一定情况下，可以考虑在适当的位置增加梁体自重来提高梁体的抗倾覆能力。

3.3.4抗倾覆验算

综上，本桥在D4墩采用墩梁固结且支撑点外偏0.5 m，计算基本组合下支座反力，并进行抗倾覆验算，见表4，表5。可以看出，本桥单向受压支座始终保持受压状态，抗倾覆安全系数大于2.5，满足规范要求，且具有一定的安全储备。

表3 匝道桥分项支反力汇总表(单位：kN；正为受压，负为受拉)

表4 基本组合支座反力

表5 抗倾覆安全系数

4 结语

承德南站站前枢纽工程中D匝道小半径曲线现浇箱梁桥通过精心设计、施工，目前已完工并投入使用。本文通过独柱墩桥梁实例设计验算，得出如下结论：

1)小半径曲线梁桥设计中宜尽量减少使用独柱墩，必须采取独柱墩时采取墩梁固结的措施可有效提高梁体的抗倾覆稳定能力。

2)小半径曲线梁桥对中间支撑点预设适宜的偏心，可以均衡各支座反力，充分发挥梁体自重的抗倾覆性能。

3)在一定情况下，可以考虑在适当的位置增加梁体自重来提高梁体的抗倾覆能力。

4)建议在不显著提高桥梁造价的情况下预留一定的抗倾覆安全储备，以提高桥梁抵抗不可控风险的能力。