公路與城市道路橋梁抗傾覆設(shè)計(jì)

段丹妮

摘? 要：橋梁在公路中具有不可替代的作用，通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗傾覆設(shè)計(jì)，除了能夠提高橋梁的整體安全性和穩(wěn)定性之外，還能避免重大安全事故的發(fā)生。文章從橋梁橫向傾覆失效的機(jī)理分析入手，依托工程實(shí)例，詳細(xì)論述了公路與城市道路橋梁抗傾覆設(shè)計(jì)方法，期望能夠?qū)Υ龠M(jìn)橋梁抗傾覆設(shè)計(jì)水平的提升有所幫助。

關(guān)鍵詞：公路;橋梁;抗傾覆設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U442 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）34-0076-02

Abstract： Bridge plays an irreplaceable role in highway. The anti-overturning design of bridge structure， in addition to improving the overall safety and stability of the bridge， can also help avoid the occurrence of major safety accidents. Starting from the mechanism analysis of bridge lateral overturning failure， relying on engineering examples， this paper discusses the anti overturning design methods of highway and urban road bridges in detail， hoping to be helpful to promote the level of bridge anti overturning design.

Keywords： highway; bridge; anti overturning design

在公路和城市道路工程中，橋梁是較為重要的組成部分之一，橋梁主要由下部墩柱基礎(chǔ)和上部梁體構(gòu)成。為確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)在橋梁工程建設(shè)中，對(duì)抗傾覆設(shè)計(jì)予以重點(diǎn)考慮，并對(duì)抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行合理取值。

1 橋梁橫向傾覆失效的機(jī)理

1.1 內(nèi)在因素的影響

橋梁設(shè)計(jì)重視豎向平面內(nèi)抗彎和抗剪性能設(shè)計(jì)，經(jīng)常忽視橋梁橫向穩(wěn)定性問(wèn)題，使得橋梁設(shè)計(jì)出現(xiàn)構(gòu)造不合理。受橋梁本身構(gòu)造不合理的內(nèi)在因素影響，若橋梁長(zhǎng)期受到極端荷載的作用，則會(huì)使橋梁發(fā)生橫向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1所示。橋梁抗傾覆設(shè)計(jì)重點(diǎn)為橋梁是否為獨(dú)柱墩型設(shè)計(jì)，以及端支座的位置設(shè)計(jì)。對(duì)于獨(dú)柱墩橋梁而言，橋梁橫向支撐位置設(shè)計(jì)不當(dāng)，主要表現(xiàn)為橋梁橋面寬度過(guò)大造成橫向傾覆失效。如，曲線橋梁受彎扭耦合效應(yīng)的作用，內(nèi)側(cè)支座容易出現(xiàn)脫空，導(dǎo)致橋梁橫向傾覆;直線橋梁最外側(cè)支座連線即為橋梁橫向傾覆軸，當(dāng)最外側(cè)支座位置設(shè)計(jì)不合理時(shí)，則會(huì)影響橋梁抗傾覆的穩(wěn)定性。

1.2 外在因素的影響

引發(fā)橋梁橫向傾覆的主要外在因素是車(chē)輛通行產(chǎn)生的荷載作用，若車(chē)輛長(zhǎng)時(shí)間且大量集中在外側(cè)車(chē)道通行，則會(huì)增加橋梁傾覆風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，多輛超載重載車(chē)輛同時(shí)行駛于外側(cè)車(chē)道上是引發(fā)橋梁橫向傾覆倒塌的重要因素，比如哈爾濱陽(yáng)明灘大橋和無(wú)錫高架橋傾覆坍塌，造成多人傷亡，給人民的生命安全帶來(lái)極大的危害。橋梁傾覆系數(shù)是抵抗彎矩與傾覆彎矩之比，其中抵抗彎矩是梁體恒載作用下對(duì)傾覆軸的穩(wěn)定力矩，傾覆彎矩是在活荷載作用下引起傾覆的彎矩和。在抗傾覆設(shè)計(jì)中，按規(guī)范規(guī)定，在結(jié)構(gòu)體系不發(fā)生改變的前提下，同時(shí)滿足支座不脫空和橋梁傾覆系數(shù)不小于2.5。

2 公路與城市道路橋梁抗傾覆設(shè)計(jì)方法

2.1 工程概況

某公路項(xiàng)目中的一座高架橋，主線為連續(xù)箱梁，跨度30m，最大和最小橋?qū)挿謩e為20.5m和13m，匝道橋位于曲線段上。因該工程所在地對(duì)橋梁景觀的要求比較高，所以經(jīng)方案比選之后，最終主線橋與匝道橋全部采用大懸臂斜腹板箱梁和直立式啞鈴型實(shí)體薄壁墩。由于受到橋墩橫向?qū)挾鹊南拗?，加之匝道橋位于曲線之上，使得抗傾覆成為該橋梁設(shè)計(jì)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。應(yīng)當(dāng)在保證結(jié)構(gòu)安全性、經(jīng)濟(jì)性和美觀性的前提下，提出科學(xué)合理、切實(shí)可行的抗傾覆設(shè)計(jì)方案。

2.2 設(shè)計(jì)思路

橋梁結(jié)構(gòu)抗傾覆設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)對(duì)相關(guān)尺寸進(jìn)行初步擬定，如橋墩橫向?qū)挾龋枰攸c(diǎn)考慮的因素包括橋?qū)捙c墩寬的協(xié)調(diào)性、箱梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性等。具體擬定的過(guò)程中，充分考慮對(duì)橫向抗傾覆不利的汽車(chē)荷載工況，進(jìn)行有限元計(jì)算，分別計(jì)算出恒荷載作用下的穩(wěn)定效應(yīng)和汽車(chē)荷載作用下失穩(wěn)效應(yīng)，得到能夠滿足橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)超過(guò)2.5的橫向支點(diǎn)的最小間距，在此基礎(chǔ)上，以支座的布設(shè)空間為前提條件，對(duì)橋墩的最小橫向?qū)挾冗M(jìn)行合理確定。

2.3 抗傾覆計(jì)算

在本工程中，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗傾覆設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)支座反力及上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算，具體如下：

對(duì)于直線橋而言，其傾覆旋轉(zhuǎn)軸是所有外側(cè)支點(diǎn)在縱向上的連線，而曲線橋與直線橋則存在一定的差別，它的支點(diǎn)連線位于弧線之上。所以在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，需要找到最不利的傾覆旋轉(zhuǎn)軸。采用常規(guī)的方法對(duì)連續(xù)箱梁橋進(jìn)行抗傾覆計(jì)算，步驟比較繁瑣，其實(shí)在旋轉(zhuǎn)線外弧側(cè)的橋面面積越大，橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆的可能性就越高。當(dāng)這個(gè)面積達(dá)到一定程度時(shí)，橋梁將會(huì)100%出現(xiàn)傾覆。基于以上原理，按照本工程支座的布設(shè)詳情，可以確定最容易發(fā)生傾覆的連線是13#墩柱的外側(cè)支座到14#墩柱外側(cè)支座的連線，如圖2所示。

當(dāng)箱梁處于即將傾覆的階段時(shí)，只有13#和14#橋墩的外側(cè)支座受力，此時(shí)的計(jì)算模型僅對(duì)這兩個(gè)支座進(jìn)行保存即可。由傾覆的實(shí)際過(guò)程可以獲悉其產(chǎn)生的原因，即向圓弧內(nèi)外兩側(cè)的扭矩出現(xiàn)明顯的差異。因此，可以在支座連線的中間位置處施加一個(gè)抗扭約束，并以支座連線作為坐標(biāo)系中的X軸，然后依托雙重荷載下的扭矩，便可快速計(jì)算出橋梁結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩，這樣便能夠獲得穩(wěn)定系數(shù)，據(jù)此對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗傾覆設(shè)計(jì)。

依據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，本工程橋梁結(jié)構(gòu)在直線段上的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)取值范圍為不小于2.5;在曲線段上，取值范圍為4.0-15.0，這個(gè)取值范圍能夠滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求，從而確保橋梁結(jié)構(gòu)的整體安全性。

2.4 抗傾覆設(shè)計(jì)體會(huì)

（1）對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)而言，影響抗傾覆和各個(gè)支點(diǎn)反力的主要因素為支點(diǎn)本身的橫向間隔距離。通過(guò)本次抗傾覆設(shè)計(jì)，在計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，每個(gè)支點(diǎn)只會(huì)對(duì)自身的反力產(chǎn)生較大的影響，但卻并不會(huì)影響到其它的支點(diǎn)反力。鑒于此，在公路橋梁抗傾覆設(shè)計(jì)中，可以采用以下墩柱形式來(lái)拉開(kāi)各個(gè)支點(diǎn)之間的橫向距離：T型墩柱、Y型墩柱、門(mén)式墩以及雙柱墩等。

（2）當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)的橫向間距受到限制，此時(shí)產(chǎn)生的反力可能為負(fù)值，即負(fù)反力。針對(duì)該情況，在進(jìn)行抗傾覆設(shè)計(jì)時(shí)，連續(xù)墩柱可以采用設(shè)置偏心獨(dú)立支座的方法。如果是柔性結(jié)構(gòu)的連續(xù)高墩，那么可以采用墩與梁體相互固結(jié)的方式，并在過(guò)渡段設(shè)置拉力支座。

（3）通常情況下，箱梁內(nèi)側(cè)與外側(cè)的反力應(yīng)當(dāng)保持均勻一致，但是曲線半徑會(huì)對(duì)箱梁反力產(chǎn)生一定的影響，從而導(dǎo)致內(nèi)外側(cè)的反力不均勻，由此會(huì)增大箱梁向外弧側(cè)傾覆的可能性。因此，支點(diǎn)應(yīng)當(dāng)向外側(cè)設(shè)置偏心，以反力均衡作為原則，在充分考慮偏心彎矩的基礎(chǔ)上，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行合理布設(shè)。

（4）曲線半徑對(duì)橋梁跨徑與邊中跨的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)對(duì)支點(diǎn)反力的影響，所以必須在抗傾覆設(shè)計(jì)中加以重視。通常情況下，恒荷載的反力儲(chǔ)備比較多時(shí)，負(fù)反力出現(xiàn)的可能性非常小，即便有反力出現(xiàn)也都是正反力。故此，在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗傾覆設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大容易出現(xiàn)負(fù)反力墩臺(tái)側(cè)的跨徑，也可以減小相鄰跨徑，借此來(lái)增加墩臺(tái)的恒荷載儲(chǔ)備，避免發(fā)生傾覆。

（5）在橋梁結(jié)構(gòu)中，盆式支座具有橫向約束作用。因此，在抗傾覆設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)充分考慮支座允許的橫向變形（正常為3.0-4.0mm），通過(guò)對(duì)這個(gè)位移的合理釋放，能夠減少橫向反力。如果支點(diǎn)的橫向反力超過(guò)豎向反力10%以上，那么應(yīng)當(dāng)隔墩設(shè)置盆式支座。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，公路橋梁工程中，抗傾覆設(shè)計(jì)既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，為避免橋梁發(fā)生傾覆失效的問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)掌握抗傾覆設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合實(shí)際工程，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)抗傾覆進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，保證橋梁的安全性與穩(wěn)定性。

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