曲线桥梁结构抗倾覆分析与研究

孙 东 （安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽 合肥 230011）

1 引言

随着社会的进步和经济的发展，我国公路和城市道路建设也取得了飞速的发展，作为道路重要组成部分的桥梁也得到了相应的发展，跨越大江大河的长大桥梁和城市高架也相继修建，为我们的交通运输和安全出行提供了更加舒适、便捷的服务。随着多年的运营，桥梁各种问题及病害也逐渐凸显出来，尤其是桥梁安全问题越来越受到国内外相关专家和学者的关注，近年来桥梁坍塌事故时有发生，给国家和社会带来巨大的灾难和损失，引发了社会的广泛关注，本文通过工程实例，采用有限元模型，分析桥梁倾覆过程和机理，通过Midas civil软件模拟三跨连续梁不同工况下抗倾覆性能影响分析，找出影响箱梁倾覆性能的主要因素。

2 桥梁倾覆背景及技术分析

箱梁结构广泛应用于国内外市政高架、立交枢纽、公路互通匝道等结构。为满足通行要求，桥下受限时，常采用独柱式桥墩结构，减少占地空间，自2007年以来，桥梁倾覆事件时有发生。

事件一：2007年10月23日，内蒙古包头市民族东路与铁路交叉的高架桥发生倾覆，该桥梁上部结构为单跨简支钢箱梁，下部结构为小间距双支座＋花瓶墩，事发时三辆单车重约100t重车偏载通行，主梁绕中心轴一侧支座倾覆，钢主梁、混凝土桥墩无结构性破坏；事件二：2009年7月15日，天津市津晋高速公路港塘收费站800m外匝道桥坍塌，5辆载货车坠落，该匝道桥上部结构为17.5m＋22m＋22m＋17.5m钢筋混凝土结构连续箱梁，下部结构为单支座＋独柱墩，倾覆事件发生时三辆单车重约140t重车偏载通行，整体倒塌，倒塌后桥梁结构整体性基本完好；事件三：2010年11月26日，位于雨花台区小行地铁站附近南京城市快速内环西线南延工程四标段在B17—B18钢箱梁防撞墙施工时，钢箱梁发生倾覆，该桥梁为上部结构为简支钢箱梁，桥梁下部结构为小间距双支座，事发时，受拉支座锚栓未灌浆，梁体与桥墩间无锚固连接，浇筑护栏产生了偏心荷载，使得钢箱梁侧翻坠落；事件四：2011年2月21日，浙江省绍兴市上虞区境内的春晖立交桥发生引桥坍塌，总长度120m，最高落差7m，该桥梁上部结构为6m×20m钢筋混凝土结构连续箱梁，下部结构为单支座＋独柱墩，事发时，三辆单车重约120t的重车偏载通行，梁体发生扭转倾斜并向右侧滑移，结构整体性基本保持完好；事件五：2012年8月24日，哈尔滨阳明滩大桥发生垮塌事故，该桥上部结构为36m＋50m＋36m钢混组合结构连续梁，下部结构为单支座＋独柱墩，事发时，四辆单车重约120t重车偏载通行，主梁翻落至底面，结构整体性基本完好；事件六：2015年6月19日，粤赣高速广州往河源方向城南出口匝道桥突然断裂坍塌，该桥上部结构为3m×25m预应力混凝土结构连续梁桥，下部结构为单支座＋独柱墩，事发时，三辆单车重约120t重车偏载通行，主梁翻落至底面，结构整体性基本完好。

从以上倾覆桥梁的结构型式和倾覆发生时车辆统计可以发现，这些桥梁在结构类型、事故原因和破坏特征基本相同，桥梁结构型式主要为箱型截面，支承体系主要为单支座或小间距双支座，事故原因是因为偏心荷载作用，以上几种原因导致倾覆事件的发生。

3 概况

某跨河桥主桥采用（40+65+40）m变截面连续箱梁，上部结构采用单箱单室断面，顶板宽度为18m，底板宽度为9.5m，采用斜腹板，箱梁支点梁高3.8m，跨中梁高2.0m，采用挂篮现浇施工。

4 计算模型

本文采用4种模型分别对桥梁进行抗倾覆分析验算，模型1（直线）桥台采用双支座，支座间距为6.5m，桥墩采用单支座；模型2（曲线半径350m）桥台采用双支座，支座间距为6.5m，桥墩采用单支座；模型3（曲线半径350m）桥台采用双支座，支座间距为6.5m，桥墩采用双支座，支座间距为5m；模型4（曲线半径350m）桥台采用双支座，支座横向间距为8m，桥墩采用双支座，支座横向间距为7.5m。

图1 4种有限元模型支座布置对比示意图

5 抗倾覆验算结果

下面分别对4种模型进行抗倾覆验算，验算结果如图2所示。

图2 4种有限元模型抗倾覆验算结果对比表

通过以上4种模型进行对比分析，模型2桥墩采用单支座，抗倾覆验算无法通过，而模型1、模型3和模型4抗倾覆验算均能通过，且模型4的横向抗倾覆稳定性系数比模型3大。由此可知，桥梁的倾覆性能不仅与桥梁结构的线形有关，而且与支座布置间距有关，对于曲线梁桥及支座间距小的桥梁其抗倾覆性能将更不利。

6 结论与建议

通过以上有限元模型验算结果对比可以看出，影响桥梁抗倾覆性能的因素主要包括桥梁的平面线形及曲线半径、横桥向支座数量、支座间距等因素，同时还包括桥梁抗扭跨径、边中跨比等因素。因此，我们在预应力混凝土连续梁桥设计时应综合考虑以上主要影响因素，在条件允许的情况下，尽量采用双支座或多支座，避免采用单支座，另外，曲线桥梁设计时应尽量增大曲线半径，使箱梁弯扭耦合效应减小，提高桥梁抗倾覆性能。