小半径人行桥倾覆稳定性设计与分析*

费建文 宁晓骏 谢健科

(1.昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500； 2.云南未来土木工程设计有限公司 昆明 650000)

0 引言

近年来，桥梁倾覆事件不断发生，《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)[1](以下简称《桥规》)中相应增加了混凝土桥梁抗倾覆验算的相关要求，人们越来越重视桥梁的抗倾覆设计与研究，同时也取得了不少的研究成果，但对于人行桥的抗倾覆研究成果相对较少。人行桥大多具有桥面较窄，同时由于景观要求高，下部桥墩结构经常会选用如花瓶墩类的墩柱结构形式[2-3]。人行桥常会因为周围环境变化而吸引人群位于桥梁的某一侧，这种情况对于桥梁来说便是一种严重的偏载情况，在此情况下对于桥梁的倾覆稳定性要求较高，尤其是小半径的曲线人行桥。

本文以某人行桥为工程背景，分别分析了改变桥梁的曲线半径、支座间距以及设置固结墩3种情况下，人行桥在最不利荷载工况作用下的倾覆稳定性，以期为该类型桥型的设计和施工提供参考。

1 工程概况

某3 m×13 m连续梁景观人行桥，上部为三跨现浇连续板，桥面宽度为3.0 m，桥墩采用独柱墩，全桥采用双支座，支座间距取1.2 m。人群荷载按照《城市桥梁设计规范》取q=4.6 kPa；结构自重系数按SZ=-1.04考虑；二期桥面铺装荷载W=2.5 kPa；防护栏杆荷载P=5 kN/m；系统温度按±20 ℃考虑；截面梯度温度按照《公路桥涵设计通用规范》[4]加载。采用有限元软件Midas Civil及Civil Designer进行建模分析，其有限元计算模型如图1，桥梁截面形式如图2。

经过计算分析对比，当人群荷载在桥梁曲线外侧半幅加载作用下，桥梁支座更容易脱空，即桥梁更容易发生倾覆，因此本文选用此荷载工况作为研究分析。

图1 桥梁有限元模型示意

图2 桥梁截面(单位：mm)

2 曲线半径的变化对抗倾覆性影响

本文分别选取桥梁半径为20 m,25 m及30 m 的圆曲线，研究桥梁的支座抗倾覆系数的变化规律。按《桥规》第4.1.8条规定，持久状况下，梁桥不应发生结构体系改变，并应同时满足下列规定：

针对特征状态1(见图3)，在作用基本组合下，单向受压支座始终保持受压状态；且必须满足在永久作用和可变作用组合下：1.0RGki+1.4RQki>0。

按作用标准值进行组合时(按本规范第7.1.1条取用)，整体式截面简支梁和连续梁的作用效应应符合下式要求：

(1)

∑Sbk,i=∑RGili

(2)

∑Ssk,i=∑RQili

(3)

式中，kqf为抗倾覆稳定性系数，取2.5；Sbk,i、Ssk,i分别为上部结构的稳定效应设计值和失稳效应设计值；li为第i个墩处双支座的中心间距；RGi、RQi分别为永久作用和可变作用在第i个墩失效支座产生的反力。

利用Midas Civil及Civil Designer计算分析，曲线半径R= 20 m时，计算结果如表1所示。通过计算结果分析得出支座2为内侧支座中最不利的支座。受篇幅所限，在计算本曲线半径R= 25 m及R=30 m时仅列出了支座2对应的抗倾覆计算结果，计算结果见表2及表3。

图3 典型破环过程

表1 半径20 m人行桥倾覆验算

表2 半径25 m人行桥倾覆验算

续表2

表3 半径30 m人行桥倾覆验算

为进一步研究桥梁在曲线半径21～24 m的范围内倾覆稳定性情况，本文以1 m为步距进行研究，其分析结果见表4。

表4 半径21～24 m人行桥倾覆验算

因此，随着曲线半径在20～30 m之间增大，桥梁抗倾覆系数呈现逐步上升趋势。但当曲线半径小于23 m时，桥梁的抗倾覆稳定性不满足规范要求。若无条件增大桥梁的曲线半径时，必须采用其他措施用以保证桥梁的抗倾覆稳定性。

3 支座间距的改变对抗倾覆性影响

《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范应用指南》在解决桥梁抗倾覆问题上[5]，给出了改变支座间距的建议。因此以小半径人行桥在半径为23 m时，拟定支座间距分别为1.3、1.4、1.5 m来分析其不同支座间距下的抗倾覆性问题，计算结果如图4。

图4 支座间距对桥梁抗倾覆系数影响

经过对比分析，支座间距的改变对桥梁的抗倾覆性影响较大，在设计过程中应尽量增大支座间距。

4 设置固结墩对桥梁内力的影响

《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范应用指南》在提高桥梁的抗倾覆性的建议中指出，设置固结墩能更直接地解决桥梁倾覆问题[6]。设置固结墩后，桥梁的受力体系发生了转换，所以梁的内力也发生了很大变化。拟定小半径人行桥曲线半径23 m，支座间距1.2 m，分别从“不设置固结墩”、“1个固结墩”、“2个固结墩”3种方案进行梁部内力对比。本文选取“第一跨跨中、第二跨跨中及第三跨跨中”和“2#、3#桥墩墩顶”为研究对象，截面的弯矩值My为内力参考值，计算结果见图5及图6。

图5 固结墩对跨中内力的影响

图6 固结墩对墩顶内力的影响

随着固结墩的增加，梁部边跨的弯矩有所改善，中跨的弯矩有少量增加；对于墩顶由于刚度的整体提升，墩顶负弯矩在整体上表现为增大；当设置2个固结墩时，2#、3#桥墩墩顶刚度再度趋于平衡，负弯矩较设置一个固结墩时有所改善，内力得到了重分配，故而设计者应着重考虑边中跨及墩顶的配筋优化。

5 结论

(1) 随着小半径人行桥曲线半径的增大，桥梁抗倾覆稳定系数呈现逐步上升趋势。说明对于小半径人行桥，曲线半径的增大能够较好的提高桥梁的抗倾覆稳定性。但当曲线半径小于23 m时，桥梁的抗倾覆稳定性不满足规范要求，须另行考虑，如调整桥梁的支座间距，加设固结墩等。

(2)采用增大支座间距和设置固结墩的方法均能改善桥梁的倾覆问题，抗倾覆稳定系数在支座间距1.2～1.5 m间都呈现上升趋势，设计者可在设计过程中尽量增大支座间距。

(3)设置固结墩较好地改善了边跨跨中内力，对于墩顶由于刚度的整体提升，墩顶负弯矩在整体上表现为增大，设计人员应着重考虑边中跨及墩顶的配筋优化。