独柱墩钢-混组合梁桥抗倾覆性能研究

邹志翔 廖 鑫

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司 武汉 430010)

独柱墩桥梁由于其行车视野开阔、造型美观和适应地形地物等优点而广泛应用于高速公路匝道桥及城市桥梁建设中。然而，这类桥梁一般采用单支座支承，横向抗倾覆稳定性较差，目前国内已发生了多起桥梁倾覆事故。2007年10月，内蒙古自治区包头市简支钢箱梁桥在超载作用下绕中性轴一侧支座倾覆倒塌；2009年7月，津晋高速公路天津段港塘互通独柱墩匝道桥梁在重车偏载作用下倾覆；2011年2月，浙江省上虞市春晖桥也是在重车偏载作用下发生倒塌[1]。而钢-混组合梁桥自重较轻，当采用独柱墩时，其抗倾覆性能更加不容忽视。

国内外在桥梁抗倾覆方面做了许多研究，并取得了一些成果。Zhou等[2]研究了小半径对曲线钢箱梁桥力学性能的影响；潘丽杰[3]通过对弯桥抗倾覆影响因素的分析，得出减小桥梁曲线半径、增加结构线重度、增加端部支座间距，加大独柱墩支座尺寸能有效提高桥梁抗倾覆能力；王刚[4]对独柱墩曲线桥梁的抗倾覆稳定性进行有限元模拟分析，得出曲线桥的抗倾覆性能随曲线半径在一定范围内增大而减小，随着边中跨比的减小而减小；汪瑞[5]通过对钢箱梁桥最不利倾覆轴、支座转角及端支座间距3个影响因素的分析，提出了抗倾覆验算的实用标准；徐长峰[6]结合理论方法和现场试验，对三跨连续钢-混组合梁桥的抗倾覆性能进行分析，探讨了相关规程的合理性；秦延飞等[7]通过对广东某三跨连续独柱墩匝道桥进行抗倾覆分析，提出桥墩增加钢牛腿、设置三支座支撑可以有效提高结构的稳定性。

独柱墩曲线梁桥的倾覆破坏与强度破坏相比更加敏感，但有关桥梁倾覆的计算理论尚有待完善。当前国内的桥梁设计比较注重结构的抗弯、抗剪等强度计算，而对桥梁的横向抗倾覆问题往往关注不足。为此，本文以两跨连续独柱墩钢-混组合梁桥为背景，研究其抗倾覆稳定性影响因素，并提出相应的构造改善措施，为类似桥梁的设计和施工提供参考。

1 工程概况

某互通匝道桥上跨高速公路，在中分带处设置独柱墩，上部结构为两跨连续钢-混组合梁，跨径布置为2×35 m。组合梁横断面采用单箱双室直腹板形式，梁高2.1 m。混凝土桥面板宽12.25 m，横向采用变厚度，挑臂端部厚度为0.2 m，横向跨中段厚度为0.25 m，钢梁顶板处桥面板加厚至0.4 m。钢梁单侧顶板宽0.8 m，底板宽8.85 m，腹板间距4.375 m，受压加劲板采用刚性加劲肋，横向加劲肋间距为1.55 m。混凝土桥面板和钢梁之间通过布置于钢梁顶板的圆柱头焊钉连接。支点横梁采用箱型断面，边支点腹板中心距1.16 m，中支点腹板中心距1.5 m。中间矩形独柱墩尺寸为1.4 m×4 m，两端双柱式墩直径为1.4 m，基础采用直径1.5 m的钻孔桩。桥梁结构布置见图1。

图1 桥型布置图(单位：cm)

2 计算方法

桥梁的横向倾覆与强度计算差别较大，不涉及上部结构的材料破坏，主要表现为整个结构作为刚体失稳。倾覆桥梁的典型破坏过程为：单向受压支座依次持续脱空，上部结构抗扭支承失效，箱梁扭转变形趋于发散、横向失稳，支座挤出,桥墩断裂。参考挡土墙和刚性基础的抗倾覆验算，定义抗倾覆稳定性系数、稳定作用效应和失稳作用效应[8]。公式如下。

式中：稳定效应Sbk,i和失稳效应Ssk,i为失效支座对有效支座取矩，kqf为稳定性系数，取2.5。

借助有限元软件对全桥进行建模分析，支座采用一般支承，主梁用梁单元模拟。模型荷载主要考虑永久作用和三车道汽车活载作用。有限元分析模型见图2。

图2 有限元分析模型

支座编号见图3，1-1和3-1为失效支座，1-2、2-1和3-2为有效支座。根据对称性，以下提取支座1-1、1-2和2-1在永久作用标准值效应下的支反力及支座1-1失效时的稳定性系数进行分析。

图3 支座编号

3 抗倾覆影响分析

3.1 曲率半径对抗倾覆的影响

背景工程的平曲线曲率半径为300 m，在此基础上增加100，200，400和500 m 4种不同曲率半径的桥梁，并与直线桥对比，分析结构抗倾覆性能随曲率半径的变化规律。支座竖向反力随曲率半径的变化曲线见图4和图5，稳定性系数随曲率半径的变化曲线见图6。

图4 边支座反力随曲率半径变化曲线

图5 中支座反力随曲率半径变化曲线

图6 稳定性系数随曲率半径变化曲线

由图4可知，内侧支座反力小于外侧，且随着半径的增大，内侧支座反力逐渐增大，外侧支座反力逐渐减小，两者差值逐渐减小，上部结构受力趋向平稳；当曲率半径由100 m增加到200 m时，曲线比较陡峭，内侧支座反力增加了5.4%，外侧支座反力减小了5.7%；当曲率半径大于200 m时，曲线变化较为平缓。

由图5可知，中支座反力受曲率半径影响很小，当曲率半径由100 m变化到500 m时，竖向反力仅增加了0.5%。

由图6可知，随着曲率半径的增大，桥梁稳定性系数呈现先减小后增大的趋势；当曲率半径小于300 m时，稳定性系数随曲率半径增大而减小；当曲率半径大于300 m时，稳定效应和失稳效应随着曲率半径增大呈良性发展，稳定性系数缓慢增大；当曲率为直线桥时，稳定性系数增加至4.82，比曲率半径为100 m时的稳定性系数5.15略小。

3.2 支座间距对抗倾覆的影响

针对曲率半径为300 m的桥梁，改变边墩支座间距，分别将其设定为5.25，5.75，6.25，6.75，7.25 m，分析支座间距对桥梁抗倾覆稳定性的影响。支座竖向反力随支座间距的变化曲线见图7和图8，稳定性系数随支座间距的变化曲线见图9。

图7 边支座反力随支座间距变化曲线

图8 中支座反力随支座间距变化曲线

图9 稳定性系数随支座间距变化曲线

由图7可知，随着边墩支座间距的增大，内侧支座反力缓慢增大，外侧支座反力缓慢减小，两者差值逐渐减小；当支座间距由5.25 m增加至7.25 m时，内侧支座反力增加了1.9%，外侧支座反力减小了0.6%。

由图8可知，中支座反力几乎不受边支座间距的影响，当支座间距由5.25 m增加到7.25 m时，竖向反力仅仅增加了0.1%。

由图9可知，稳定性系数随支座间距的增大而逐渐增大，这是由于稳定效应力臂增大及汽车荷载负反力减小，使得桥梁抗倾覆稳定性增强。

3.3 支座偏心对抗倾覆的影响

支座偏心对桥梁的抗倾覆性能也有重要影响。控制曲率半径为300 m，边墩支座间距为7.25 m，分别将中墩支座向内、外侧各偏心20 cm和40 cm(内偏为负，外偏为正)，分析桥梁抗倾覆性能随支座偏心的变化规律。支座竖向反力随支座偏心距的变化曲线见图10和图11，稳定性系数随支座偏心距的变化曲线见图12。由图10和图11可知，支座偏心对支反力影响较大，且随着偏心距的增大，边墩内侧支座反力逐渐增大，外侧支座反力逐渐减小，中墩支座反力逐渐减小；当中支座外偏40 cm时，边墩内侧支座反力增加了22.3%，外侧支座反力减小了3.5%，中支座反力减小了5.2%；当中支座内偏40 cm时，边墩内侧支座反力减小了22.7%，外侧支座反力增加了9.5%，中支座反力增加了3.8%。

图10 边支座反力随支座偏心变化曲线

图11 中支座反力随支座偏心变化曲线

图12 稳定性系数随支座偏心变化曲线

由图12可知，稳定性系数随支座偏心的增大而增大，这是由于支座外偏使得稳定效应增大，失稳效应减小，有利于提高结构抗倾覆稳定性。

3.4 车速对抗倾覆的影响

不同车速下的离心力也会影响桥梁的抗倾覆稳定性。控制曲率半径为300 m，边墩支座间距为7.25 m，将车速分别设定30，45，60，75，90 km/h，分析桥梁在不同车速下的抗倾覆性能。稳定性系数随车速的变化曲线见图13。

图13 稳定性系数随车速变化曲线

由图13可知，稳定性系数随车速的增大而减小，这是由于汽车离心力使得失稳效应增大，从而减弱桥梁抗倾覆稳定性。

4 结语

1) 曲线桥内侧支座反力小于外侧，随着曲率半径的增大，内外侧支座反力分配趋向均匀；稳定性系数随着曲率半径的增大先减小后增大，小曲率半径桥梁稳定性最好，其次是直线桥，而大曲率半径桥梁稳定性较差；匝道设计时，可以采用小曲率半径桥梁提高抗倾覆能力，同时也要考虑小曲率半径带来的畸变应力增大及桥梁美观等方面的不利影响。

2) 支座间距越大，内外侧支反力差值越小，从而可以有效降低内侧支座脱空的风险；随着支座间距的增大，稳定性系数逐渐增大；在独柱墩支座两侧设置支撑杆，可以实现双支座效果，提高结构稳定性。

3) 中支座越向外偏，边墩内侧支座反力越大，外侧支座反力越小，中墩支座反力越小；稳定性系数随支座偏心距的增大而减小。

4) 车速对桥梁结构的抗倾覆稳定性有一定影响，且稳定性系数随车速的增大而减小；车辆在匝道拐弯处，尤其要注意减速慢行，避免离心力影响桥梁的稳定性。

5) 其他影响桥梁抗倾覆稳定性的因素还有跨径和线重度等；在满足桥下通行的情况下，可以适当选择小跨径的桥梁增强结构抗倾覆能力；在不影响桥梁局部构件强度前提下，增加配重也是提高桥梁稳定性的有效措施。