公路與城市道路橋梁抗傾覆設(shè)計(jì)研究

肖垚

青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 山東 青島 266000

引言

現(xiàn)階段公路與城市道路橋梁在為社會(huì)生產(chǎn)與居民生活提供便利的同時(shí)，傾覆問(wèn)題也是必須面對(duì)的問(wèn)題。尤其是在當(dāng)下超載、重載現(xiàn)象頻發(fā)的背景之下，傾覆問(wèn)題的發(fā)生概率也在不斷提高，是影響我國(guó)交通運(yùn)輸安全的主要因素之一，將會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，引發(fā)相當(dāng)惡劣的社會(huì)影響。因此，想要盡可能避免公路與城市道路橋梁出現(xiàn)傾覆問(wèn)題，除了要加強(qiáng)對(duì)超載重載問(wèn)題的管理，還需要優(yōu)化公路與城市道路橋梁的抗傾覆設(shè)計(jì)，提升其本身的抗傾覆性能。

1 公路與城市道路橋梁傾覆的機(jī)理分析

公路與城市道路橋梁的傾覆實(shí)際上是橋梁結(jié)構(gòu)的橫向剛體轉(zhuǎn)動(dòng)[1]，而引發(fā)公路與城市道路橋梁傾覆的主要原因可以劃分為內(nèi)因與外因兩大類，內(nèi)因是傾覆現(xiàn)象產(chǎn)生的主導(dǎo)原因，而外因則是外部環(huán)境帶來(lái)的，傾覆現(xiàn)象的誘發(fā)因素。

內(nèi)因主要集中在構(gòu)造設(shè)計(jì)方面，構(gòu)造的不合理就會(huì)引發(fā)道路橋梁在極端荷載的情況下滿足出現(xiàn)橫向轉(zhuǎn)動(dòng)的要求，導(dǎo)致傾覆現(xiàn)象的產(chǎn)生。在現(xiàn)階段對(duì)公路與城市道路橋梁的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)主要集中在對(duì)豎向平面的抗彎抗剪性能需求的滿足上，橫向平面對(duì)穩(wěn)定性的需求時(shí)常處于被忽略的狀態(tài)，因此針對(duì)橫向支撐的設(shè)計(jì)也往往處于缺失的狀態(tài)。在現(xiàn)階段廣泛采用的獨(dú)柱墩道路橋梁設(shè)計(jì)形式中，表現(xiàn)道路橋梁橫向穩(wěn)定性的傾覆軸即是端橫梁在外側(cè)支座的連線，因此，端橫梁外側(cè)支座位置的排布會(huì)直接影響到直線型橋梁的傾覆穩(wěn)定性，而曲線型橋梁則會(huì)因?yàn)閺澟ゑ詈闲?yīng)導(dǎo)致支座脫空問(wèn)題的產(chǎn)生，提升橋梁的傾覆風(fēng)險(xiǎn)?？偠灾?，在設(shè)計(jì)層面影響公路與城市道路橋梁抗傾覆性能的內(nèi)因，主要是端橫梁支座的排布以及支撐形式。而公路與城市道路橋梁出現(xiàn)傾覆現(xiàn)象的外因，主要是車輛帶來(lái)的荷載，一方面是道路橋梁上車輛的行駛位置，如果全部集中在外側(cè)車道，則會(huì)導(dǎo)致橋梁整體受力失衡，提升傾覆的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，道路橋梁上行駛的車輛一旦出現(xiàn)超載與重載現(xiàn)象，也會(huì)對(duì)道路橋梁的穩(wěn)定性提出挑戰(zhàn)。

根據(jù)對(duì)上述公路與城市道路橋梁傾覆機(jī)理的分析，可以總結(jié)出描述道路橋梁傾覆可能性的系數(shù)，也就是抵抗彎矩與傾覆彎矩之間的比值。而通過(guò)這一系數(shù)的推導(dǎo)過(guò)程，不難發(fā)現(xiàn)公路與城市道路橋梁的抗傾覆性能實(shí)際上取決于抵抗彎矩與傾覆彎矩之間的拉扯。抵抗彎矩指的是道路橋梁梁體在自重作用下對(duì)傾覆軸產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩，而傾覆彎矩則是在道路橋梁路面車輛荷載作用下產(chǎn)生的橋梁向傾覆側(cè)的彎矩和。上述的傾覆系數(shù)實(shí)際上是對(duì)極限傾覆狀態(tài)的描述，而現(xiàn)實(shí)生活中道路橋梁的傾覆是從正常狀態(tài)向傾覆狀態(tài)的累計(jì)發(fā)展過(guò)程，因此通常將2作為傾覆系數(shù)的理論最小值，以保證道路橋梁的穩(wěn)定性。

2 公路與城市道路橋梁抗傾覆性能的影響要素

2.1 道路橋梁基本參數(shù)

公路與城市道路橋梁的線形、結(jié)構(gòu)形式與支撐方式是影響道路橋梁抗傾覆性能以及穩(wěn)定性的共通要素[2]。根據(jù)以往的道路橋梁設(shè)計(jì)與建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，直線型橋梁以及曲率半徑較大的曲線橋梁有著更高的傾覆概率；而從支撐方式來(lái)看，傾覆事故大多發(fā)生在中部橋墩由獨(dú)柱墩支撐的道路橋梁上，往往缺乏頂端加固體系?？偠灾?，道路橋梁的基本參數(shù)會(huì)對(duì)公路與城市道路橋梁抗傾覆性能產(chǎn)生直接的影響。

2.2 道路橋梁內(nèi)部受力情況

公路與城市道路橋梁內(nèi)部的受力情況同樣會(huì)影響到道路橋梁的抗傾覆性能，因此在對(duì)道路橋梁進(jìn)行抗傾覆設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮到豎向平面的抗彎抗剪性能以及橫向的穩(wěn)定性能。比如，在道路橋梁投入使用之后，在車輛的荷載作用的影響下，如果頂部預(yù)應(yīng)力往往會(huì)超過(guò)底部的預(yù)應(yīng)力，則橋梁會(huì)發(fā)生向心方向的扭轉(zhuǎn)，反之則出現(xiàn)離心方向的扭轉(zhuǎn)。除此之外，橋梁內(nèi)部的溫度、混凝土的形變也會(huì)導(dǎo)致道路橋梁出現(xiàn)變形、滑移等問(wèn)題，必須加強(qiáng)管理與控制。

2.3 外部荷載作用

公路與城市道路橋梁抗傾覆性能的影響因素中，外部的荷載是相當(dāng)重要的一個(gè)，具體可以分為荷載量的大小以及荷載位置。事實(shí)上，為了避免傾覆事故的發(fā)生，相關(guān)部門(mén)已經(jīng)在道路橋梁的管理上對(duì)荷載進(jìn)行控制，一方面對(duì)荷載量大的重載車輛，規(guī)定其行駛車道，另一方面，對(duì)超載車輛進(jìn)行嚴(yán)格管理。這是因?yàn)?，?dāng)超載車輛偏離車道行駛時(shí)，就會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的偏載效應(yīng)，考驗(yàn)道路橋梁的抗傾覆性能。

3 公路與城市道路橋梁抗傾覆設(shè)計(jì)的優(yōu)化途徑

3.1 加強(qiáng)橋梁角度與平面線形設(shè)計(jì)

在公路與城市道路橋梁抗傾覆的設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先需要完成的就是對(duì)橋墩橫向?qū)挾鹊染唧w數(shù)據(jù)的確認(rèn)。公路與道路橋梁參數(shù)的確認(rèn)需要考慮諸多的實(shí)際因素，比如橋面寬度與橋墩寬度之間的具體比例與協(xié)調(diào)性、箱梁的傾覆抗性與穩(wěn)定性。而且在確定參數(shù)的過(guò)程中，不能將背景設(shè)置為理想的使用環(huán)境，還需要充分考慮到極端天氣以及車輛超載等不利外部環(huán)境，做出對(duì)應(yīng)的限元計(jì)算。既要計(jì)算在負(fù)載恒定的情況下，公路與道路橋梁的穩(wěn)定效應(yīng)，以及在超出荷載限制的情況下產(chǎn)生的失穩(wěn)效應(yīng)，將表示橫向抗傾覆性能的穩(wěn)定系數(shù)保持在2.0以上[3]，并且在達(dá)成這一目標(biāo)的前提下，進(jìn)一步考慮支座的空間分配，以此確定橋梁角度與橋墩的最小寬度。

而在公路與道路橋梁的平面線形設(shè)計(jì)上，除了要符合基本的設(shè)計(jì)原則與路線走向，還需要進(jìn)行持續(xù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作。尤其是對(duì)處于立交匝道之上的道路橋梁進(jìn)行平面線形設(shè)計(jì)時(shí)，要在規(guī)范的大前提下充分發(fā)揮靈活性；而當(dāng)橋梁為位于半徑相對(duì)較小的坡道之上時(shí)，就應(yīng)當(dāng)選擇跨度較小的線形結(jié)構(gòu)。但如果出現(xiàn)道路橋梁的跨越被交叉道路阻隔的情況，跨越的直徑無(wú)法隨意調(diào)整，就需要通過(guò)優(yōu)化路線線形的方式解決，同時(shí)提升曲線半徑，提升道路橋梁的整體穩(wěn)定性。

3.2 增設(shè)墩柱或鋼支撐結(jié)構(gòu)

想要保證公路與道路橋梁的穩(wěn)定性，優(yōu)化其抗傾覆設(shè)計(jì)，提升公路與道路橋梁的抗傾覆性能，就需要加強(qiáng)對(duì)橋墩支座的處理，可以在原本的橋梁結(jié)構(gòu)中增設(shè)墩柱或鋼支撐結(jié)構(gòu)。

增設(shè)墩柱與鋼結(jié)構(gòu)是針對(duì)獨(dú)柱道路橋梁的主要加固方式，具體方法就是在橋墩下方的支撐部位植入數(shù)量與密度經(jīng)過(guò)精確計(jì)算的鋼筋，在橋墩與主梁之間起到連接作用，讓橋墩與主梁形成受力整體。從而提供更強(qiáng)的支撐性，將原本簡(jiǎn)單的單柱墩臺(tái)結(jié)構(gòu)改造成在應(yīng)力與穩(wěn)定性方面都更加優(yōu)秀的獨(dú)柱墩、多支座結(jié)構(gòu)。增設(shè)墩柱或鋼支撐結(jié)構(gòu)的公路與道路橋梁設(shè)計(jì)優(yōu)化方法也有其適用范圍，與公路下方無(wú)承臺(tái)或公路與道路橋梁結(jié)構(gòu)表面平整度不佳的情況有著更高的契合度與實(shí)際表現(xiàn)。通過(guò)增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)的方式對(duì)道路橋梁進(jìn)行改造，能夠增強(qiáng)支墩與橋梁主梁之間的連接性，起到提升橋梁承載力的加固作用，進(jìn)一步完善抗傾覆性能。

3.3 以雙支撐結(jié)構(gòu)取代單支座

雖然可以在獨(dú)柱墩、單支座的道路橋梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，通過(guò)增設(shè)墩柱與鋼結(jié)構(gòu)的方式提升其抗傾覆性能，但是獨(dú)柱墩、單支座結(jié)構(gòu)仍然存在其劣勢(shì)，那就是傾覆軸內(nèi)部的車輛對(duì)道路橋梁會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的荷載作用面積，提升道路橋梁失穩(wěn)傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。因此在對(duì)公路與城市道路橋梁進(jìn)行抗傾覆設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮以雙支撐體系取代單支座，這一優(yōu)化方式的優(yōu)勢(shì)在于能夠有效提升道路橋梁主梁的抗扭能力，提升其對(duì)橫向傾覆的抗性。但在利用雙支撐結(jié)構(gòu)取代單支座時(shí)，必須通過(guò)演算保障橫隔梁的穩(wěn)定性與安全性，也需要對(duì)橫隔梁進(jìn)行配套加固，并對(duì)施工工序與施工量做出預(yù)估。

而將公路與道路橋梁由單支座改造為雙支撐體系，蓋梁位置就需要具有與雙支撐結(jié)構(gòu)相匹配的空間，那么在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)就會(huì)面對(duì)兩種基本情況。第一種是蓋梁的尺寸與空間本身就相對(duì)較大，足夠支持雙支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)置，那么在施工上的難度也相應(yīng)降低，可以通過(guò)升頂?shù)氖┕し椒?，將道路橋梁蓋梁的梁體直接頂升，切除原有單支座并設(shè)置雙支撐結(jié)構(gòu)。而如果道路橋梁原本的獨(dú)柱墩蓋梁在空間上相對(duì)局限，無(wú)法支持雙支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)置，則需要轉(zhuǎn)變加固思路，對(duì)原有蓋梁進(jìn)行橫向加固，增大蓋梁的受力面積。

3.4 更新獨(dú)柱墩固結(jié)方式

在公路與道路橋梁的抗傾覆設(shè)計(jì)過(guò)程中，獨(dú)柱墩與主梁結(jié)構(gòu)之間通常采用固結(jié)的方式進(jìn)行連接，這種連接方式的優(yōu)勢(shì)在于能夠顯著提升橋梁墩柱的穩(wěn)定性，也減少了主梁的自由形變性能[4]。一旦柱墩與主梁之間的固結(jié)支座發(fā)生形變，不僅形變曲線變化幅度大，難以保證穩(wěn)定性，而且主梁也會(huì)發(fā)生位移，傾覆抗性也隨之降低，因此需要更新獨(dú)柱墩固結(jié)方式。如果將固結(jié)位置改為道路橋梁墩柱底端，就能在很大程度上分擔(dān)橋梁主梁的受力，減少墩柱底部的受力彎矩，不僅形變曲線變化幅度小，而且對(duì)橋梁總體穩(wěn)定性的負(fù)面影響也將降低，提升道路橋梁的抗傾覆性能。

3.5 額外設(shè)置抗拉支撐結(jié)構(gòu)

一般情況下，公路與道路橋梁發(fā)生傾覆的第一環(huán)節(jié)就是支座脫空，因此想要通過(guò)優(yōu)化公路與道路橋梁抗傾覆設(shè)計(jì)的方式提升公路與道路橋梁的抗傾覆性能，就需要對(duì)這一問(wèn)題做出針對(duì)性地應(yīng)對(duì)與解決。因此可以在道路橋梁的制作部分額外設(shè)置抗拉支撐結(jié)構(gòu)，抗拉支撐結(jié)構(gòu)的作用是加強(qiáng)對(duì)道路橋梁梁體的約束力，避免其在車輛造成的重載與偏載作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，進(jìn)而減少支座脫空現(xiàn)象引發(fā)的受力結(jié)構(gòu)變化?？估谓Y(jié)構(gòu)的設(shè)置既可以在上下垂直方向，也可以在支座與梁體的承接處進(jìn)行側(cè)面加固，提供額外的支撐力。

由于抗拉支撐結(jié)構(gòu)的施工對(duì)公路與道路橋梁的影響相對(duì)較小，同時(shí)可以在墩柱與梁體上分別進(jìn)行施工，通過(guò)延伸出的支撐結(jié)構(gòu)連接墩柱與梁體，因此不影響橋梁本身的運(yùn)營(yíng)與使用，同時(shí)有效預(yù)防支座脫空問(wèn)題。但抗拉支撐結(jié)構(gòu)同樣有其局限性，由于抗拉支撐結(jié)構(gòu)主要采用錨固的方式進(jìn)行連接，因此抗拉支座的強(qiáng)度有限，通常使用在支座反力較小的道路橋梁。

3.6 擴(kuò)大端橫梁支座間距

根據(jù)公路與城市道路橋梁的傾覆機(jī)理，傾覆軸通常是由端橫梁最外側(cè)支座連線組成的概念線條，因此端橫梁支座位置的排布會(huì)直接影響到允許車輛通行的橋面空間的大小。如果端橫梁支座的排布相對(duì)接近外側(cè)，則傾覆區(qū)域就會(huì)相對(duì)縮小，橋梁的安全性也就得到提升，因此在對(duì)公路與城市道路橋梁抗傾覆設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，應(yīng)當(dāng)擴(kuò)大端橫梁支座間距。

在擴(kuò)大端橫梁支座間距時(shí)，可以依照已經(jīng)設(shè)計(jì)好的蓋梁尺寸，計(jì)算出最大的支座間距，并形成相應(yīng)的支座布置方案，同時(shí)配合擴(kuò)張橫向截面的方式進(jìn)行進(jìn)一步加固。這一設(shè)計(jì)優(yōu)化思路更適用于寬幅箱梁結(jié)構(gòu)的道路橋梁，能夠提升梁體的抗傾覆性能，且在工作量方面有較大優(yōu)勢(shì)，施工范圍與施工量都相對(duì)較小，且集中在端橫梁區(qū)域。缺陷在于施工難度相較其他優(yōu)化思路可能更大，需要接長(zhǎng)端橫梁，植筋難度相對(duì)較大，且需要對(duì)支點(diǎn)處橫梁進(jìn)行加固驗(yàn)算。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，公路與城市道路橋梁傾覆的產(chǎn)生原因分為內(nèi)因和外因，內(nèi)因主要是構(gòu)造設(shè)計(jì)不合理，外因則主要是車輛帶來(lái)的荷載。因此，公路與城市道路橋梁抗傾覆性能的影響要素包括道路橋梁基本參數(shù)、道路橋梁內(nèi)部受力情況以及外部荷載作用。想要提升公路與城市道路橋梁的抗傾覆性能，就需要優(yōu)化其抗傾覆設(shè)計(jì)，加強(qiáng)橋梁角度與平面線形設(shè)計(jì)，增設(shè)墩柱或鋼支撐結(jié)構(gòu)，以雙支撐結(jié)構(gòu)取代單支座，更新獨(dú)柱墩固結(jié)方式，額外設(shè)置抗拉支撐結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大端橫梁支座間距。