城市市政橋梁抗傾覆設(shè)計

崔明偉

（鄭州市市政工程勘測設(shè)計研究院，鄭州 450000）

1 引言

市政橋梁傾覆事故的發(fā)生，不僅會干擾正常的道路運營、區(qū)域民眾正常生活，而且會造成生命財產(chǎn)損失。而設(shè)計不當(dāng)是導(dǎo)致城市市政橋梁發(fā)生傾覆的主要因素之一，因此，從設(shè)計角度入手，分析城市市政橋梁抗傾覆方案具有非常重要的意義。

2 城市市政橋梁的發(fā)生傾覆的原理

城市市政橋梁可以劃分為獨立墩橋梁、雙柱墩橋梁、多柱墩橋梁3 種類型，根據(jù)平面線形，又可以劃分為直線型、曲線型。對于直線型城市市政橋梁，在忽略汽車荷載的情況下，橋梁將在二期荷載、自重對稱荷載作用下維持穩(wěn)定狀態(tài)，扭轉(zhuǎn)風(fēng)險較小；對于曲線型城市市政橋梁，因主體曲線性以及受力復(fù)雜性，即使在對稱荷載作用下扭轉(zhuǎn)風(fēng)險也較大。比如，因曲線型城市市政橋梁重心與形心不重合，在荷載作用下必然產(chǎn)生扭矩，對主梁受力分布造成影響，促使外側(cè)主梁承受壓力向更高水平發(fā)展，而內(nèi)側(cè)主梁承受的壓力向更低水平發(fā)展。與此同時，外側(cè)支座反力向更高水平發(fā)展，內(nèi)側(cè)支座反力向更低水平發(fā)展，兩端扭轉(zhuǎn)持續(xù)累積，加劇支座受力不均。特別是在我國道路交通量逐漸增加的背景下，交通堵塞路段橋梁不斷增加，橋面上大量汽車滯留致使荷載集中分布，主梁荷載最高可以達(dá)到常規(guī)承受荷載的3 倍以上，加劇了主梁的扭矩變形程度，支座受力也急劇增加。加之不對稱自重、車輛荷載、二期荷載的存在，橋梁內(nèi)側(cè)、外側(cè)豎向形狀變化處于不均勻狀態(tài)，內(nèi)側(cè)支座承受壓力、外側(cè)支座承受拉力，導(dǎo)致脫空情況出現(xiàn)概率較高，最終在主梁扭曲變形、撓曲變形的相互耦合下出現(xiàn)整體橋梁傾覆。

3 影響城市市政橋梁抗傾覆設(shè)計的因素

3.1 橋梁外因

3.1.1 自然災(zāi)害

近年來，我國自然災(zāi)害頻發(fā)，洪水、臺風(fēng)、泥石流等自然災(zāi)害的作用對城市市政橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響較大。比如，我國臺灣南部地區(qū)在臺風(fēng)碧麗斯的侵襲下造成河水瞬間上漲，并導(dǎo)致某橋梁基礎(chǔ)嚴(yán)重毀壞，整座大橋傾覆斷裂[1]。

3.1.2 撞橋、超載

近幾年，我國城市市政橋梁交通流量激增，車輛荷載大大增加，加之管理機制不夠完善，駕駛者的安全意識薄弱，導(dǎo)致超載現(xiàn)象頻發(fā)。而頻發(fā)的汽車超載、撞橋事故極易導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)形成疲勞損傷，對橋梁耐久性造成嚴(yán)重的威脅[2]。特別是水路運輸中，船舶撞擊橋梁結(jié)構(gòu)，會造成巨大的沖擊荷載，致使橋梁傾覆。比如，2007 年6 月，廣東某橋梁因運沙船舶偏離航道誤入非通行航孔并直接撞擊橋墩，導(dǎo)致4 孔非通航孔橋面傾覆倒塌。

3.2 橋梁內(nèi)因

3.2.1 設(shè)計施工不合規(guī)

在設(shè)計中，橋孔布置對橋梁抗傾覆能力具有直接的影響。以一個寬度×弧長為12.0 m×160 m 的市政橋梁為例，將其布置為1 跨簡支梁時，傾覆荷載作用范圍為1 330 m2，抗傾覆力矩作用范圍為586 m2；將其布置為3 跨連續(xù)梁時，傾覆荷載作用范圍為372 m2，抗傾覆力矩作用范圍為1 546 m2。從這些數(shù)據(jù)可知，由于市政橋梁跨數(shù)的增加，傾覆載荷作用范圍減小，而抗傾覆力矩范圍增加，使橋梁安全性能提升。除此之外，曲率半徑、支座布置形式等對城市市政橋梁的抗傾覆能力也有較大的影響。

施工不合規(guī)是影響城市市政橋梁抗傾覆性能的主要內(nèi)部因素，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)核算錯誤、施工工藝不規(guī)范等。特別是在現(xiàn)代城市橋梁結(jié)構(gòu)形式日益多樣化的過程中，越來越多的新工藝被應(yīng)用，但由于缺少對新工藝進(jìn)行成功應(yīng)用的先例，導(dǎo)致施工中對新工藝的應(yīng)用不成熟，支座等結(jié)構(gòu)的位置施工不精確，容易導(dǎo)致橋梁傾覆事故。

3.2.2 橋梁病害

在我國市政橋梁工程的使用過程中，吊桿受損、梁板縱向裂縫、纜索腐蝕等病害不可避免，若上述病害無法及時維護修理，會威脅主體結(jié)構(gòu)，致使主體結(jié)構(gòu)傾覆。

3.2.3 加固拆除不當(dāng)

在交通量激增進(jìn)程中，以往橋梁承載力無法滿足現(xiàn)有需求，橋梁的加固拆除勢在必行。而在橋梁加固拆除階段，一旦設(shè)計施工不當(dāng)，就會造成橋梁車輛傾覆事故。比如，2001 年長沙市撈刀河鎮(zhèn)某橋梁就因加固拆除時施工者先行切斷橋梁上部橫梁，導(dǎo)致橋梁受力不平衡進(jìn)而出現(xiàn)橋梁傾覆事故。

4 城市市政橋梁抗傾覆設(shè)計的優(yōu)化對策

4.1 結(jié)合項目實況優(yōu)化加固獨柱墩

獨柱墩具有占地面積小的特點，但在極端車輛荷載作用下極易出現(xiàn)傾覆事故，極端車輛車況表現(xiàn)為多臺嚴(yán)重超載的大型貨車在同一時間段短間距行駛在橋梁同一側(cè)同1 條車道。因獨柱墩橋梁處于整聯(lián)工作狀態(tài)，針對當(dāng)前已建成并已投入使用的獨柱墩橋梁，需要采用3.4 倍的公路I 級荷載進(jìn)行工況驗算[3]。即在橫橋向僅布置1 條車道汽車荷載時，橫向車道布載系數(shù)、汽車荷載效應(yīng)（最外側(cè)）分項系數(shù)分別為1.0、3.4，此時，通過計算橋臺支座最小反力、固結(jié)墩壓彎強度、非固結(jié)墩支座轉(zhuǎn)角，可以確定橋梁抗傾覆能力。一般在橋臺支座最小反力大于或等于0（上部結(jié)構(gòu)壓在橋臺支座上）或者固結(jié)墩壓彎強度符合規(guī)范要求（橋梁結(jié)構(gòu)在最不利支座控制下穩(wěn)定效應(yīng)、失穩(wěn)效應(yīng)比值大于2.5，且失穩(wěn)效應(yīng)小于0 時轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定效應(yīng)）、非固結(jié)墩支座轉(zhuǎn)角不大于0.02 rad（1.15°）時，整聯(lián)的獨柱墩橋梁才不會傾覆。而在驗算結(jié)果不符合上述要求時，應(yīng)對獨柱墩進(jìn)行加固設(shè)計。

常用的獨柱墩加固設(shè)計方法為增設(shè)抗拔銷、增設(shè)樁基承臺、增設(shè)鋼蓋梁、包大立柱等單一或組合方式。增設(shè)抗拔銷需要在獨柱墩橋梁發(fā)生傾覆風(fēng)險較大的一側(cè)蓋梁適當(dāng)位置增設(shè)1 對抗拔銷，包括構(gòu)件清潔、位置確定、孔洞鉆設(shè)、孔洞清潔、注植筋膠、錨栓安裝、鋼板安裝、拉桿安裝幾個環(huán)節(jié)，以便在橋梁出現(xiàn)傾覆風(fēng)險時對橋梁上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生抗傾覆拉力，降低橋梁傾覆風(fēng)險。在設(shè)計時，應(yīng)明確鉆孔直徑以及深度，明確標(biāo)注孔洞鉆設(shè)深度深于錨筋埋設(shè)深度；增設(shè)樁基承臺主要是針對橋梁固結(jié)中墩壓彎強度與規(guī)范要求差距過大致橋梁承載能力較小的情況，將新樁基增加到擬加固的獨立墩單側(cè)，經(jīng)新增承臺將新樁基礎(chǔ)、舊樁基礎(chǔ)連接為群樁；增設(shè)鋼蓋梁主要是在獨立墩立柱上，經(jīng)鋼構(gòu)件預(yù)先制作加工、孔洞鉆設(shè)、錨栓安裝等方式，增設(shè)鋼蓋梁，并通過測量放樣、孔洞鉆設(shè)、孔洞清理、鋼混結(jié)合面除銹、鋼蓋梁安裝與螺栓緊固、植筋孔注膠及植筋、鋼混結(jié)合面壓力灌漿、制作墊石澆筑與梁底調(diào)平塊澆筑幾個步驟，在鋼蓋梁上進(jìn)行支座墊石、支座系統(tǒng)的設(shè)置，以多點支撐的橋梁代替單獨立柱支撐的橋梁。增設(shè)鋼蓋梁采用工廠預(yù)制+現(xiàn)場機械輔助安裝的方式，增加原結(jié)構(gòu)自重一般，但質(zhì)量控制難度較小。部分情況下，為了同步提高橋梁安全系數(shù)與外形協(xié)調(diào)美觀度，可以利用增設(shè)鋼蓋梁與增設(shè)薄壁墩的組合形式，在承臺上植入鋼筋、外部包裹以往墩柱，并將部分以往墩柱混凝土鑿除，墩柱上則植入連接鋼筋；包大立柱主要是在增設(shè)樁基承臺的基礎(chǔ)上，對墩柱外包混凝土，為極端荷載工況下立柱抗彎壓能力儲備向更高水平發(fā)展提供依據(jù)，促使橋梁下部結(jié)構(gòu)抗傾覆能力有效增強[4]。除此之外，在單柱墩與橋梁軸線呈90°的情況下，可以增加輔助支撐支座，即挖掘?qū)蛄杭扔歇毩⒍粘信_頂部填土，兩側(cè)均設(shè)置鋼管支頂，制作設(shè)置在鋼管柱頂部，底部則將其與原有承臺植入鋼筋相連接。進(jìn)而在鋼管內(nèi)灌注C40 微膨脹混凝土，并利用鋼板套箍，沿橫向?qū)⑿轮圃熹摴芏?、原有矩形墩相連接。在這個基礎(chǔ)上，針對原有承臺開挖導(dǎo)致的道路橋梁邊溝損壞情況，依據(jù)以往尺寸，利用M 10 漿砌片石進(jìn)行恢復(fù)。通過上述操作，對應(yīng)位置的單支座箱梁轉(zhuǎn)變?yōu)槿ё?，恒定荷載作用下新增設(shè)輔助支座不承受壓力，以往單柱墩墩頂支座為主要受力支座。此時，在箱梁扭曲變形最不利位置，新增加的兩側(cè)支座就可以提供一定程度的反向作用力，以保證橋墩安全為前提，促使箱梁抗傾覆安全性提高，壓縮每聯(lián)伸縮縫位置支座受力、箱梁扭力。

4.2 明確橋梁抗傾覆設(shè)計參數(shù)

計算橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)是城市市政橋梁抗傾覆設(shè)計的重點，關(guān)乎抗傾覆設(shè)計效果。常用的橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計算方法為傾覆軸計算法，需在JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》的基礎(chǔ)上進(jìn)行橫向傾覆效應(yīng)設(shè)計值的具體核算。在傾覆軸計算時，需要將作用效應(yīng)具化為傾覆軸線力矩kqf，計算公式如下：

式中，qk、Pk分別為車道荷載中均勻荷載和車道荷載中集中荷載；μ 為沖擊系數(shù)；Ω 為傾覆軸線與橫向加載車道圍護面積；e為橫向加載車道與傾覆軸線垂直距離最大值；Xi為各支座與傾覆軸線之間的距離；RGi為成橋狀態(tài)下各支座支反力。在式（1）中，可以計算不同圓曲線半徑橋梁的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，得出在其他參數(shù)一定時的最小支座反力、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)與轉(zhuǎn)彎半徑間的關(guān)系[5]。進(jìn)而選擇最佳轉(zhuǎn)彎半徑，計算聯(lián)長不同時，橋梁的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，獲得抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)較高的聯(lián)長值。

4.3 有效控制橋?qū)捈岸瞬恐ё嚯x比

橋?qū)捈岸瞬恐ё嚯x比的有效控制，可以在一定程度上提高橋梁抗傾覆能力。橋?qū)捈礃蛄旱臋M向?qū)挾?。初步擬定橋橫向?qū)挾葧r，可以綜合考慮景觀視覺效果視域下的橋?qū)捙c墩寬比例的協(xié)調(diào)性，結(jié)合箱梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性需求（抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)＞1.5），進(jìn)行跨內(nèi)縱向抗傾覆、橫向抗傾覆最不利車輛布載分析，獲得恒定荷載與汽車活載作用下的橫向支點最小間距。進(jìn)而依據(jù)支座布置空間，確定橋梁最小橫向?qū)挾?。以某寬度×弧長為12.0 m×160 m 的4 跨連續(xù)梁城市市政橋梁為例，其外側(cè)防撞護欄寬度為55.0 cm，汽車荷載車輪中心橫向?qū)挾葹?75.0 cm。且該4 跨連續(xù)梁城市市政橋梁傾覆荷載作用面積與橋面總面積之比分別為0.462、0.441、0.426，表明隨著橋梁寬度的增加，橋梁抗傾覆能力越弱。因此，在本案例中，設(shè)計人員應(yīng)優(yōu)先選擇數(shù)值較小的橋梁寬度，并考慮橋梁懸挑長度（小于2.70 m），在橋梁寬度、抗傾覆能力之間尋求平衡。

端部支座距離比與傾覆力矩力臂成負(fù)相關(guān)，與支反力影響不大。因此，設(shè)計人員可以從提高橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的角度入手，將橋臺支座中心連線，連線后根據(jù)橋墩位置抗傾覆力矩、汽車荷載下傾覆力矩的變化規(guī)律，增加或減小支座布置間距。即在忽略預(yù)應(yīng)力荷載影響、保持跨徑組合以及其他參數(shù)一定的情況下，選取一個曲線半徑，計算曲線半徑下端頭支座距離比分別為4.0 m、2.8 m、2.1 m 時的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)、最不利支反力和脫空傾向，選擇無脫空傾向、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)最高的端頭支座距離比。同時，在城市市政橋梁支座布置時，具有單支座、雙支座、多支座等幾種形式，單支座具有占地面積小、美觀性強、下部結(jié)構(gòu)空間小的優(yōu)勢，但存在抗傾覆能力效果差的缺陷；多支座、雙支座具有較強的抗傾覆能力，但下部結(jié)構(gòu)造價較高，且工藝操作歷時較長，極易與其他橋梁路線產(chǎn)生沖突。因此，在考慮城市市政橋梁抗傾覆能力的情況下，技術(shù)人員應(yīng)優(yōu)先選擇雙支座、雙支座+單支座混合形式，即在橋梁中心位置直接布置雙支座或者將單支座面向離心側(cè)偏心布置。

5 結(jié)語

綜上所述，導(dǎo)致城市市政橋梁存在傾覆風(fēng)險的諸多因素中，設(shè)計與施工環(huán)節(jié)的影響最為突出。因此，設(shè)計人員應(yīng)明確城市市政橋梁抗傾覆設(shè)計的重要性，以獨柱墩加固為著手點，根據(jù)項目實際情況進(jìn)行恰當(dāng)優(yōu)化。同時，進(jìn)行橋梁抗傾覆設(shè)計的科學(xué)驗算，結(jié)合橋梁寬度、橋梁端部支座距離比的有效控制，降低城市市政橋梁的傾覆風(fēng)險。