道路橋梁抗傾覆設(shè)計(jì)探討

劉松，董營

（1.濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，濟(jì)南250003 2.山東省路橋集團(tuán)有限公司，濟(jì)南250014）

1 引言

橋梁主要由下部墩柱基礎(chǔ)與上部梁體共同構(gòu)成。近些年，伴隨城市化進(jìn)程的提速，道橋工程建設(shè)數(shù)目增多，規(guī)模也不斷增大，人們對(duì)道橋工程建設(shè)質(zhì)量越來越重視[1]。抗傾覆設(shè)計(jì)是保證道橋安全性、穩(wěn)定性的重要因素之一，故而相關(guān)參建單位應(yīng)該不斷完善抗傾覆設(shè)計(jì)，提高施工水平，一方面能確保道橋使用的安全性，另一方面也能延長其使用壽命。

2 傾覆臨界狀態(tài)和抗傾覆安全系數(shù)的內(nèi)涵

2.1 道橋的臨界狀態(tài)

在明確抗傾覆設(shè)計(jì)對(duì)象后，應(yīng)選用適宜的力學(xué)方法與抗傾覆分析法去測(cè)評(píng)道橋的抗傾覆情況。從宏觀上，傾覆臨界狀態(tài)主要有2 種：第一種是支撐梁式橋的邊墩支座處于脫空狀態(tài)，而后又衍生出中墩支座轉(zhuǎn)角超限的狀況，最后造成整個(gè)結(jié)構(gòu)連續(xù)下傾覆；第二種是中墩支座轉(zhuǎn)角0.03 rad 及邊墩支座陷入脫空境地中，均可以被看成是道橋傾覆的臨界狀態(tài)。大部分情況下，邊墩支座脫空、相應(yīng)的中墩支座轉(zhuǎn)角0.03 rad 分別叫作第一、第二傾覆臨界狀態(tài)。參照既往有關(guān)調(diào)研資料，不難發(fā)現(xiàn)城市道橋內(nèi)的直橋、彎橋通常分別被第一、第二傾覆臨界狀態(tài)控制。

2.2 道橋抗傾覆安全系數(shù)

可以采用式（1）表示道橋抗傾覆安全系數(shù)[2]：式中，k為車輛荷載作用下的道橋結(jié)構(gòu)傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；Mcd為在考慮初始傾覆效應(yīng)后，中墩支座轉(zhuǎn)角抵達(dá)傾斜狀態(tài)所形成的抗傾覆效應(yīng)；Mqc為參照最差布載規(guī)則，規(guī)范車輛荷載作用下道橋的最差傾覆效應(yīng)；分別為傾覆臨界狀態(tài)、初始狀態(tài)結(jié)構(gòu)下的傾覆效應(yīng)。

參照道橋結(jié)構(gòu)自身效應(yīng)，應(yīng)全面考慮橋梁自體重量，混凝土收縮、徐變，預(yù)應(yīng)力荷載等影響因素。在確定抗傾覆安全系數(shù)環(huán)節(jié)中，應(yīng)重視分析工程實(shí)施過程的安全性和穩(wěn)定性，并考慮工程的經(jīng)濟(jì)性。因道橋抵達(dá)傾覆臨界狀態(tài)需要?dú)v經(jīng)一定的過程，只有在對(duì)各結(jié)構(gòu)進(jìn)行全過程分析后方能確定k值。

3 工程概況

對(duì)某高速公路獨(dú)柱墩橋梁橫向抗傾覆加固項(xiàng)目進(jìn)行施工建設(shè)，全線共設(shè)計(jì)5 處收費(fèi)站，全長45.185 km，2014 年10 月底建成并通車，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h(在2016 年9 月被相關(guān)部門批準(zhǔn)提速到120 km/h)，雙向6 車道，路基34.0 m，橋涵和路基等寬。

本高速公路共建設(shè)了14 座獨(dú)柱墩橋梁，都是匝道橋，共計(jì)21 聯(lián)。歷經(jīng)前期系統(tǒng)的測(cè)評(píng)分析后，發(fā)現(xiàn)局部獨(dú)柱墩橋梁橫向抗傾覆檢測(cè)值和現(xiàn)行規(guī)范要求之間存在出入，需盡早進(jìn)行加固施工處理。

利用常規(guī)方法測(cè)算連續(xù)箱橋梁的抗傾覆性能，流程較煩瑣，道橋結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆情況概率和旋轉(zhuǎn)線外弧冊(cè)的橋面面積呈正相關(guān)性。基于以上原理，參照本工程施工階段支座的設(shè)置情況，能夠確定最容易發(fā)生傾覆情況的連線為13○號(hào)墩柱的外側(cè)支座至14○號(hào)墩柱外側(cè)支座的連線，如圖1 所示[3]。

圖1 最不利傾覆軸線

4 道橋抗傾覆性設(shè)計(jì)的完善方法

4.1 加強(qiáng)橋?qū)捙c邊支座間距比的控制

在道橋設(shè)計(jì)施工階段，有效控制橋?qū)捄瓦呏ёg距比，能較好地改善橋梁項(xiàng)目的抗傾覆性能，使橋梁投用過程的安全性得到更大保障。參照既往相關(guān)調(diào)研與分析資料，若道橋的橋?qū)捙c邊支座間距比＞2.5，尤其是直橋，其抗傾覆性能處于交叉水平，而安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)偏大。這就預(yù)示著在道橋抗傾覆設(shè)計(jì)階段應(yīng)對(duì)如上問題加以重視，在確保橋梁項(xiàng)目建設(shè)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，盡可能地短縮懸臂長度，拓展箱底的寬度，科學(xué)設(shè)定支座橫向間距值。以上是提升橋梁抗傾覆性能的有效舉措之一。另外，也可以配合使用斷橫梁外伸的方法去降低橋?qū)捙c邊支座的間距比。

4.2 固結(jié)墩梁和邊支座的設(shè)計(jì)與控制

道橋項(xiàng)目施工建設(shè)階段，施工方應(yīng)綜合分析主客觀多種因素，對(duì)邊支座、橋墩的數(shù)目等做出科學(xué)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)墩柱結(jié)構(gòu)承載性能指標(biāo)的檢測(cè)，其承載力滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，方能使橋梁的抗傾覆能力得到更大保障。施工階段還需要考慮恒載分配的情況，在采用2～3 個(gè)邊支座的橋梁工程中，邊支座通常能產(chǎn)生更大的恒載反力，進(jìn)而較有效地延緩產(chǎn)生脫空的時(shí)間[4]。

已知曲線半徑對(duì)橋梁跨徑和邊中跨造成的影響明顯大于支點(diǎn)反力的影響程度，故而結(jié)構(gòu)抗傾覆設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)如上問題加以高度重視。大部分工況下，當(dāng)恒荷載儲(chǔ)備較多的反力時(shí)，出現(xiàn)負(fù)反力的概率很低，即便有反力出現(xiàn)也均是正反力。鑒于以上情況，在對(duì)道橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗傾覆設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)容易出現(xiàn)負(fù)反力墩臺(tái)側(cè)，應(yīng)適度拓展其跨徑，或者采用減小臨近跨徑的辦法，均能取得增加墩臺(tái)恒荷載儲(chǔ)備量的效果，減少或規(guī)避橋梁投用階段發(fā)生傾覆的情況。

整體分析公路道橋結(jié)構(gòu)，不難發(fā)現(xiàn)盆式制作能起到較好的橫向束縛作用。故而，在抗傾覆設(shè)計(jì)測(cè)算階段，一定要對(duì)支座允許的橫向變形（正常是3.0～4.0 mm）情況給予重視，全面分析并科學(xué)釋放這一位移，有益于降低橫向反力。若檢測(cè)到支點(diǎn)的橫向反力超出縱向反力10%，在這樣的工況下，施工人員需要隔墩布設(shè)盆式支座。如果面對(duì)的是柔性結(jié)構(gòu)的連續(xù)高墩，那么可以利用墩和梁體相互固結(jié)的方法，同時(shí)將拉力支座布設(shè)在過渡段。

4.3 合理應(yīng)用防落梁設(shè)施

大量工程實(shí)踐表明，橋梁防落梁設(shè)施在增強(qiáng)道橋抗傾覆能力方面表現(xiàn)出良好的效能。若橋梁項(xiàng)目施工階段能合理使用防落梁設(shè)施，那么在發(fā)生大型交通事故時(shí)，能對(duì)橋梁運(yùn)作過程的常態(tài)性能發(fā)揮一定的保障作用，較明顯地提升了橋梁的抗傾覆性能，優(yōu)化項(xiàng)目的施工質(zhì)量。

在具體施工實(shí)踐中，通常要依照橋梁實(shí)況確定防落梁的設(shè)計(jì)移動(dòng)量，要求防落梁裝置的設(shè)計(jì)移動(dòng)量調(diào)整過程較便捷[5]。國內(nèi)簡支橋梁跨度通常是20 m、30 m 與40 m 混凝土梁橋，和剛橋相比較其自重更大，故而要求防落梁裝置要滿足較大的噸位設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

總之，做好道橋的抗傾覆設(shè)計(jì)，是有效保護(hù)公路橋梁完整性、確保其投用階段安全性及延長道橋使用年限的有效措施之一。為規(guī)避橋梁項(xiàng)目的傾覆失效問題，設(shè)計(jì)人員應(yīng)立足于工程實(shí)際狀況，綜合分析多種因素，扎實(shí)掌握抗傾覆的設(shè)計(jì)方法，在此基礎(chǔ)上對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的抗傾覆進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，使橋梁的應(yīng)用安全性和穩(wěn)定性得到更大保障，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。