独柱墩桥梁横向倾覆稳定性及防控问题分析

刘敏

（云南云岭高速公路工程咨询有限公司，云南昆明 650041）

0 引言

独柱墩桥梁具有环境适应能力强、占地较少、线条流畅、视野开阔和视觉美观等诸多优点，因此得到工程设计人员的青睐，被广泛应用在公路和城市道路的桥梁工程中。近年来，在独柱墩桥梁使用过程中，车辆偏载可能引发横向倾覆倒塌事故，其属于瞬间破坏，且发生倾覆前不会有明显征兆，因此危害性极大，一旦发生将会带来严重的人员伤亡、经济损失和恶劣的社会影响。因此，技术人员应从技术角度出发，对桥梁倾覆机理进行细致的分析研究，找出影响独柱墩桥梁横向稳定性的因素，并制订相应的防控措施，以防止独柱墩桥梁发生横向倾覆事故。

1 独柱墩桥梁抗倾覆验算要求

在过去一段时间内，在独柱墩桥梁设计过程中，设计人员将关注的重点放在了桥梁结构的抗弯、抗剪承载能力以及正常使用抗裂验算方面，对偶然偏心荷载作用下桥梁的抗倾覆问题研究不够深入。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004），公路桥涵的持久状态设计应按承载能力极限状态的要求，对构件进行承载力及稳定性计算，必要时应进行结构倾覆和滑移验算。我国高架桥公路修建起步较晚，在高架桥公路建设上的认知和经验积累存在不足，有资料可查的最早高架桥公路是1987年9 月20 日落成的广州人民路高架桥。2004 版《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》对独柱墩桥梁抗倾覆稳定性验算方面没有给出明确的验算内容及验算方法，只给出了概念性的要求，使得该项验算工作基本处于空白状态。

随着国家经济的繁荣发展，不同城市之间的商品货物运输量越来越大，公路桥梁中通行的大件运输重载车辆越来越多，偏离桥梁轴线行驶的重车也随之增加。加之早期建设的独柱墩桥梁在设计阶段未考虑横向抗倾覆问题，在以上多重因素的影响下，容易出现独柱墩桥梁倾覆事故。为避免此类问题，2018 年颁布实施的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）对独柱墩桥梁设计验算作出了更细致的规定，大大提高冗余设计量[1]。

2 独柱墩桥梁倾覆特点及机理

通过近些年发生的独柱墩桥梁倾覆事故现场来看，发生独柱墩桥梁倾覆事故的桥梁几乎有着相同或者类似的特征：其一，整体式箱形截面，联端箱梁底横向设置双支座，但联中箱梁底仅设置单支座；其二，大多为直线桥或者平曲线半径较大的桥梁；其三，倾覆原因为偏心荷载作用，或结构支承体系失效，或者两者共同作用，其中重载车辆的偏载作用尤为突出；其四，大多是长桥，且采用独柱墩单支点设计；其五，箱梁梁体发生横向倾覆侧翻时，梁体和墩台本身无结构性破坏，没有因梁体本身强度不足而产生扭断或弯断现象。

根据上述倾覆特点，结合结构受力特征分析，总结得出横向倾覆机理：

首先，箱梁体结构在车辆的荷载作用下产生的弯曲和扭转变形相互耦合，箱梁底各支座反力发生重分布。

其次，同一墩台上的一对横向双支座对箱梁产生扭矩和扭转角的双重约束作用，当车辆的偏心荷载作用达到一定程度时，远离倾覆轴的单向受压支座发生脱空而失去扭转角约束作用，另一个支座对箱梁仅产生扭矩约束作用，支座对箱梁形成的约束体系类型发生质变，导致梁体绕倾轴线转动。

最后，当车辆偏心荷载作用达到一定程度时，箱梁体扭转变形角度值增大，发展到一定程度时，梁底支座发生破坏，梁体侧向滑移，导致箱梁倾覆失稳[2]。

3 影响箱梁抗倾覆性能的因素

影响箱梁抗倾覆性能的因素最主要有平曲线半径、支座横向间距、抗扭跨径、上部结构自重。

3.1 平曲线半径的影响

随着平曲线半径的增大，独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性会提高。因此，曲线半径越小对桥梁抗倾覆稳定性的影响越明显，平曲线半径减小时，箱梁的弯扭耦合效应会增大，导致桥梁的抗倾覆能力较弱。但是当平曲线半径增大到一定程度后，平曲线半径对桥梁抗倾覆稳定性也不再产生明显影响[3]。

3.2 支座横向间距的影响

桥梁支座的横向间距影响支座反力的倾覆力臂长度，进而影响箱梁的抗倾覆能力。桥梁的外侧支座间距越小，桥梁悬臂部分上方偏心荷载产生的倾覆力矩越大，内侧支座出现脱空的可能性越高，桥梁横向抗倾覆能力越弱。

3.3 抗扭跨径的影响

横向单支座仅能对主梁形成扭矩约束，横向双支座能对主梁形成扭矩和扭转角双重约束。在箱梁跨中设置双支座时，会形成新的抗扭支承，减小抗扭跨径，使汽车荷载偏载作用引起的支座负反力减小，桥梁的抗倾覆性能会得到有效提高。

3.4 上部结构自重的影响

桥梁上部结构自重沿桥梁中心线左右对称分布时，自重越大桥梁抗倾覆能力越强。

4 箱梁抗倾覆验算

4.1 验算方法、步骤

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）中第4.1.8 条，将箱梁抗倾覆验算工况分为2 个特征状态。

特征状态1：在作用基本组合下，箱梁底的支座均处于受压状态。

特征状态2：在作用的标准值组合下，整体式截面简支梁和连续梁的作用效应符合公式（1）：

式（1）中：li为第i个桥墩处失效支座与有效支座的支座中心间距；RGki为在永久作用下，第i个桥墩处失效支座的支反力，按全部支座有效的支撑体系计算确定，再按照标准值组合进行取值；RQki为在可变作用下，第i个桥墩处失效支座的支反力，按全部支座有效的支撑体系计算确定，再按照标准值组合进行取值，汽车荷载效应（考虑冲击）按各失效支座对应的最不利布置形式取值；kqf为横向抗倾覆稳定性系数，取2.5。具体验算步骤如图1 所示。

图1 箱梁抗倾覆验算步骤

4.2 验算内容

独柱墩桥梁抗倾覆验算内容主要包括横向抗倾覆稳定性系数验算、支座脱压验算，以及盖梁和墩柱承载力验算等[4]。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）及《公路独柱墩桥梁运行安全提升专项行动技术要求》的相关规定，进行独柱墩桥梁设计或加固验算时，验算内容应符合以下几点要求：

第一点，同一联中连续3 个及以上桥墩为墩柱墩时，可以不进行结构验算，应直接进行改造提升或者调整设计方案。

第二点，不符合上述第一点所述的支座支承式独柱墩桥梁，应进行支座脱压和横向抗倾覆稳定性系数验算，若支座脱压验算不满足规定，还应对支承反力重分布后的盖梁、墩柱和支座等构件进行承载能力验算[5]。

第三点，不符合上述第一点所述的墩梁固结式独柱墩桥梁，同样应进行支座脱压和横向抗倾覆稳定性系数验算，若支座脱压验算不满足规定，还应对支承反力重分布后的盖梁、墩柱和支座等构件进行承载能力验算；同时应对固结墩控制截面（包括固结墩墩顶、墩底、墩身截面尺寸与配筋变化处）的强度进行验算。

5 抗倾覆稳定性提升方法

可采用增设支座支承、改支座支承为墩梁固结、增设抗拉拔装置及桥面增设警示柱等措施，提高独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性。

5.1 增设支座

独柱墩桥梁抗倾覆稳定性提升改造工程中，常用的增设支座方式如下：第一，在原结构盖梁上增设支座；第二，新增设盖梁与支座；第三，加宽墩柱并增设支座；第四，增设墩柱和支座。增设支座的常用方式如图2 所示。

图2 增设支座的常用方式

图3 改支座支承为墩梁固结方案示意

在原结构盖梁上增设支座的方案适用于现有构造空间足够，可直接改单支座为多支座的情况。新增设盖梁与支座方案适用于独柱墩桥梁箱梁下方空间受限，但墩柱顶部具有增设混凝土盖梁或者钢结构盖梁的情况，以及改单支座为多支座的情况。加宽墩柱并增设支座方案与增设墩柱和支座方案的使用条件相似，适用于原有桥梁上部结构较宽，可直接通过加宽墩柱改单支座为多支座的情况。

5.2 改支座支承为墩梁固结

若独柱墩桥梁的桥下空间不足，可以通过改变墩柱的连接方式，将支座支承改为墩梁固结，以提高抗倾覆稳定性。

5.3 增设抗拉拔装置

增设抗拔装置仅能作为独柱墩桥梁横向抗倾覆的一种预防性措施，单独使用时，对柱墩桥梁抗倾覆性能的提升效果不明显。该方法采用植筋或者预埋锚栓将桥梁上部结构和下部结构进行连接。采用该方法时，应该充分考虑结构变形的影响，合理预留变形间隙，不得对结构形成多余约束。增设抗拔装置如图4、图5 所示。

图4 梁底增设抗拔装置

图5 箱梁腹板增设抗拔装置

5.4 桥面增设警示柱

若独柱墩桥梁桥面车道布置为单车道，但桥面宽度较大，且支座负反力较小，可以在桥面设置警示柱，减弱车辆偏载效应，避免因偏载严重引发箱梁倾覆事故。桥面设置警示柱如图6 所示。

图6 桥面增设警示柱

6 独柱墩桥梁运维建议

2020 年9 月—2021 年11 月，通过交通运输部组织开展的公路独柱墩桥梁运行安全提升专项行动，全国公路范围内的独柱墩桥梁运行安全得到了有效提升，成效显著。虽然提升改造后的独柱墩桥梁横向抗倾覆稳定性系数能够满足规范所规定的大于2.5 的要求，但由于桥梁理论验算时取用的车辆活载设计标准、实际车辆荷载以及桥梁限载标准之间存在诸多差异，且这三种荷载之间的关系较为复杂，因此过桥车辆重量不大于2.5 倍桥梁限载并不代表独柱墩桥梁绝对不会出现横向倾覆事故。因此，加强运营期间桥梁通行车辆的管理和控制尤为重要。运营管理过程中，还需加强超限超载治理工作，避免重载车辆密集、靠边行驶或排队情况出现[6]。

7 结语

独柱墩桥梁有诸多优点，但可能产生桥梁倾覆事故，这也说明应优化该桥梁结构设计。因此，在独柱墩桥梁结构设计中，应从技术角度，对独柱墩桥梁的倾覆机理、抗倾覆设计验算进行分析，并对影响倾覆稳定性的因素进行分析，采取有效的独柱墩桥梁抗倾覆稳定性提升方法，并加强运营管理，以进一步保障交通安全。