獨(dú)柱支撐連續(xù)梁橋抗傾覆穩(wěn)定性研究綜述

牛鵬飛

【摘 要】如今在日益擁擠的城市化交通進(jìn)程中，城市立交逐漸成為了城市中心線路以及主干線路中不可缺少的項目。在進(jìn)行城市立交建設(shè)中，獨(dú)柱支撐曲線梁橋的出現(xiàn)完美的解決了橋梁線性、橋下凈空、視野開闊度等對于城市立交來說很關(guān)鍵的問題。同時面對日益增加的車輛荷載，獨(dú)柱梁橋抗扭能力比較弱，在偏載嚴(yán)重的情況下便有傾覆的危險。中國對于此問題并沒有成熟的理論設(shè)計方法以及規(guī)范，因此，本文將對如今各領(lǐng)域針對獨(dú)柱梁橋抗傾覆性能穩(wěn)定性研究進(jìn)行綜述，提出建議。

【關(guān)鍵詞】獨(dú)柱梁橋；抗傾覆穩(wěn)定性；綜述

近年來，我國城市立交橋梁和干線公路橋梁一般選取獨(dú)柱現(xiàn)澆的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行建造，這種結(jié)構(gòu)形式比較輕巧，并且能夠滿足城市立交對于建設(shè)用地、以及橋下凈空等方面的要求，同時結(jié)構(gòu)美觀在一定程度上減少工程造價。因此普遍被城市立交所采用。但是，獨(dú)柱墩連續(xù)梁橋在結(jié)構(gòu)受力方面存在著自身的不足，獨(dú)柱墩在橋梁橫向是單點(diǎn)支撐的形式，當(dāng)橋梁面對嚴(yán)重偏載時，結(jié)構(gòu)便會出現(xiàn)失穩(wěn)情況，嚴(yán)重時會使支座發(fā)生脫空現(xiàn)象進(jìn)而出現(xiàn)橋梁的傾覆，為行車帶來很大的危害。例如，2009年津晉高速公路連續(xù)獨(dú)柱墩匝道橋傾覆，2011年浙江上虞立交橋獨(dú)柱墩引橋側(cè)翻，2012年哈爾濱群力路高架橋獨(dú)柱墩橋整體側(cè)翻等，因此獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁橋結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重的安全問題有待解決。本文將研究獨(dú)柱墩橋梁的傾覆穩(wěn)定性，得出其發(fā)生傾覆破壞的原因，總結(jié)抗傾覆研究成果，為研究者在此方向的研究工作提出有力參考。

一、獨(dú)柱墩梁橋受力及破壞特點(diǎn)分析

獨(dú)柱墩梁橋由于采用了獨(dú)柱支承，因而具有一些較獨(dú)特的受力性能。獨(dú)柱墩連續(xù)梁橋可以按中墩為鉸接或固結(jié)、主梁為直梁或曲梁進(jìn)行分類，這樣可以準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的傾覆破壞特征。獨(dú)柱墩在工作當(dāng)中有下面幾點(diǎn)特征。

1.如今的公路橋梁都不可避免的面對汽車超載的情況，有些車輛則會出現(xiàn)嚴(yán)重超載影響橋梁工作。而在獨(dú)柱墩梁橋工作中重點(diǎn)考慮的就是偏心荷載，嚴(yán)重的偏心荷載會使梁體產(chǎn)生巨大的扭矩，在面對連續(xù)梁橋時，這種扭矩會很大，如果在橋梁的初期設(shè)計過程中忽略此項影響，就很可能使橋梁在運(yùn)營過程中抗扭不足，發(fā)生破壞。

2.獨(dú)柱墩使以偏心受壓的狀態(tài)工作，這樣當(dāng)面對較高的橋梁建造時，墩柱較大的長細(xì)比在面對偏心受壓的情況時，就可能會發(fā)生偏壓破壞。

3.獨(dú)柱墩梁橋在運(yùn)營過程中不可避免的會遇到許多特殊情況而這些情況并不會對那些非獨(dú)柱墩橋型的橋梁帶來實質(zhì)性的傷害，比如橋上出現(xiàn)重載型車輛堵車，偏心活載以及恒載會使獨(dú)柱墩梁橋的邊墩支座的遠(yuǎn)離荷載作用一側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力嚴(yán)重時發(fā)生支座脫空的情況。這時的橋梁就會出現(xiàn)整體失穩(wěn)的可能，甚至導(dǎo)致傾覆破壞。

二、獨(dú)柱連續(xù)梁橋抗傾覆穩(wěn)定性驗算方法研究現(xiàn)狀

由于對曲線梁橋的研究投入較少，研究相對比較薄弱，導(dǎo)致成果較少，也直接影響到了實際曲線梁橋工程中的設(shè)計施工參考和依據(jù)。目前國外對曲線梁橋的設(shè)計指導(dǎo)規(guī)范也只是少數(shù)，并且規(guī)范并不完整。而我國現(xiàn)行的公路橋涵規(guī)范中對曲線梁橋也是缺少相應(yīng)的施工和設(shè)計規(guī)范。

（一）支座反力法

自橋梁傾覆問題引起重視以來，大部分研究者對獨(dú)柱墩連續(xù)梁橋的抗傾覆計算和設(shè)計都以控制支座反力為主要手段?，F(xiàn)行JTGD60-2004《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中3.5.8條和JTGD62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》中9.7.4條中均只有禁止支座脫空的要求，而這些要求主要是針對支座本身而言，缺少對橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的相關(guān)規(guī)定。

（二）穩(wěn)定系數(shù)法

傾覆臨界狀態(tài)在判別橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性之前，須定義傾覆臨界狀態(tài)。獨(dú)柱墩連續(xù)梁橋在傾覆過程中經(jīng)歷兩種傾覆臨界狀態(tài)：一是邊墩支座脫空；二是中墩支座轉(zhuǎn)角超限。通常，直橋由第一狀態(tài)控制，彎橋由第二狀態(tài)控制。對于采用中墩固結(jié)的獨(dú)柱墩梁橋，在偏心荷載作用下，往往承載能力極限狀態(tài)先于傾覆臨界狀態(tài)，建議不列入抗傾覆研究范疇。

傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)的概念在橋梁中最早被用于驗算墩臺的整體穩(wěn)定性。利用穩(wěn)定系數(shù)法進(jìn)行獨(dú)柱墩連續(xù)梁橋的抗傾覆分析，較支座反力法更為合理。文獻(xiàn)針對同一傾覆模型的驗算結(jié)果顯示，采用穩(wěn)定系數(shù)法沒有通過，而采用支座反力法卻通過了。這并不意味著穩(wěn)定系數(shù)法更保守，而是說明支座反力法不能正確地反映橋梁傾覆的實際狀況。在《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTGD62-2012）征求稿4.1.9中首次提出了對橋梁上部結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性的驗算問題，指出中小跨徑整體式斷面（如箱梁截面）橋的上部結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)滿足式的要求：

同時規(guī)定在考慮汽車荷載沖擊作用的標(biāo)準(zhǔn)值組合效應(yīng)下，橋梁的單向受壓支座不能脫空。

三、獨(dú)柱梁橋抗傾覆影響因素研究現(xiàn)狀

影響橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的因素是多方面的，主要包括：設(shè)計年代、跨徑組合、橋梁結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)、平曲線半徑，邊、中墩類型，邊、中墩支座類型、中墩支座預(yù)偏心距、橋面寬與支座橫向間距的比值等。有學(xué)者認(rèn)為在雖然影響?yīng)氈樟簶蚩箖A覆性能的因素有很多，但是橋面寬與支座橫向間距比對橋梁抗傾覆穩(wěn)定性起決定作用，如果比值越大，抗傾覆穩(wěn)定性就越差。

近幾年來，中國一些學(xué)者采用有限元方法建立了大量獨(dú)柱墩連續(xù)梁橋的仿真模型，系統(tǒng)分析和總結(jié)了影響該類橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的主要因素，如曲率半徑、橋梁長度、聯(lián)端支座間距、中墩支座預(yù)偏心距等。結(jié)果表明：曲率半徑越小，橋梁長度越長，聯(lián)端支座的負(fù)反力越大；增大聯(lián)端支座間距，能有效提高橋梁的抗傾覆能力；合理預(yù)設(shè)中墩支座偏心距，可使聯(lián)端支座反力分布更為均勻，改善橋梁的受力性能。中墩支座合理預(yù)偏心距設(shè)置是一個優(yōu)化問題，需綜合考慮多重影響因素，且對于不同曲率半徑的獨(dú)柱墩連續(xù)梁橋其側(cè)重點(diǎn)有所不同?？梢栽O(shè)定相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，采用分析軟件提供的優(yōu)化設(shè)計模塊和參數(shù)化設(shè)計語言，通過計算機(jī)尋求合理的預(yù)偏心數(shù)值，所以在面對設(shè)置預(yù)偏心距離時，應(yīng)在達(dá)到規(guī)范以及橋梁受力設(shè)計要求的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計，最終選擇出所要選取的偏心數(shù)值，以提高整體穩(wěn)定性。

四、結(jié)語

獨(dú)柱墩梁橋由于其結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢包括凈空、視野問題、以及能夠達(dá)到城市立交在互交上的要求以及在造價上存在很大的優(yōu)勢，并且從以及發(fā)生的件件事故中可以發(fā)覺其仍然存在抗傾覆性能上的問題。本文在總結(jié)前輩研究方法以及成果的基礎(chǔ)上分析理論、提出對比，以得出研究者在今后的研究工作中應(yīng)該重點(diǎn)著手的問題，為其提供有力參考。