獨(dú)柱支撐連續(xù)梁橋抗傾覆穩(wěn)定性研究綜述

牛鵬飛/石家莊鐵道大學(xué)

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獨(dú)柱支撐連續(xù)梁橋抗傾覆穩(wěn)定性研究綜述

牛鵬飛/石家莊鐵道大學(xué)

【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(xiàng)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(shí)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(xiǎn)。中國對于此問題并沒有成熟的理論設(shè)計(jì)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(shí)結(jié)構(gòu)美觀在一定程度上減少工程造價(jià)。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(shí)，結(jié)構(gòu)便會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)情況，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(huì)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(huì)使梁體產(chǎn)生巨大的扭矩，在面對連續(xù)梁橋時(shí)，這種扭矩會(huì)很大，如果在橋梁的初期設(shè)計(jì)過程中忽略此項(xiàng)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(shí)，墩柱較大的長細(xì)比在面對偏心受壓的情況時(shí)，就可能會(huì)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(huì)遇到許多特殊情況而這些情況并不會(huì)對那些非獨(dú)柱墩橋型的橋梁帶來實(shí)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(huì)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(shí)發(fā)生支座脫空的情況。這時(shí)的橋梁就會(huì)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(yàn)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(shí)際曲線梁橋工程中的設(shè)計(jì)施工參考和依據(jù)。目前國外對曲線梁橋的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算和設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(yàn)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(yàn)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(shí)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(jì)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(yàn)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：

式中： γqf--抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)；

同時(shí)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(jì)年代、跨徑組合、橋梁結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)模塊和參數(shù)化設(shè)計(jì)語言，通過計(jì)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(shí)，應(yīng)在達(dá)到規(guī)范以及橋梁受力設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jià)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。

橋梁墩臺及基礎(chǔ)在各種外部因素的長期作用下，會(huì)出現(xiàn)不同程度的病害，這些病害造成的墩臺破壞會(huì)導(dǎo)致上部拱圈產(chǎn)生裂縫，上部拱圈開裂又會(huì)反過來繼續(xù)加劇橋梁墩臺的破壞，二者的破壞相互影響?；A(chǔ)與墩臺的常見病害及原因有：

（一）基礎(chǔ)或墩臺的差異沉降、位移和轉(zhuǎn)動(dòng)

過大的外部荷載及地基承載力的不足往往會(huì)造成墩臺和基礎(chǔ)發(fā)生位移及轉(zhuǎn)動(dòng)，從而導(dǎo)致拱橋上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)附加內(nèi)力，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致某些構(gòu)件的開裂。

（二）基礎(chǔ)被掏空、墩臺沖蝕嚴(yán)重

調(diào)查發(fā)現(xiàn)：某些石拱橋墩臺及基礎(chǔ)由于長期的流水侵蝕，造成材料強(qiáng)度不斷下降，基礎(chǔ)的整體性受到嚴(yán)重威脅；早期建設(shè)的一些石拱橋防沖刷設(shè)置不合理，甚至沒有采取相應(yīng)措施；一些橋梁下游非法采砂，造成水流加速，沖擊作用增強(qiáng)。

以上因素造成部分石拱橋的基礎(chǔ)掏空，墩臺受到嚴(yán)重的侵蝕，具體表現(xiàn)為：

（1）一些橋梁的擴(kuò)大基礎(chǔ)基底和表面被沖刷嚴(yán)重甚至被掏空；（2）樁基礎(chǔ)承臺出現(xiàn)懸空；（3）墩臺表面巖石和砌筑砂漿沖刷外漏，甚至出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象