吴钊华 胡梦蝶

摘 要：桥梁在公路中具有不可替代的作用，通过对桥梁结构进行抗倾覆设计，以保证桥梁的整体安全性和稳定性，避免重大安全事故的发生。本文基于桥梁横向倾覆失效的机理，分析抗倾覆性特征，并以依托工程实例进行抗倾覆设计，明确设计要点，以期为公路及城市道路桥梁的抗倾覆设计提供参考。

关键词：公路与城市桥梁;横向倾覆失效;抗倾覆设计

中图分类号：U442.5 文献标识码：A

0 前言

目前，公路和城市道路桥梁的抗倾覆设计主要对抗倾覆稳定性系数进行验算，一般要求标准组合下抗倾覆稳定系数大于2.5，同时在基本组合下保证支座不出现负反力。实际上，公路桥梁的倾覆是一个连续发生的过程，从受力平衡到因为受力不均导致支座脱空，再到脱空严重、不平衡加剧倾覆。在此过程中其支承体系是不断变化的，桥梁呈非线性复杂应力状态，且梁体、支座及下部结构间互相影响，有必要对抗倾覆机理进行进一步研究。

1 桥梁倾覆影响因素分析

（1）内在因素的影响。以往设计中为减小桥下净空，跨中常采用独柱墩。若桥梁设计不合理，主要表现为桥梁桥面宽度过大而支座间距较小，则在极端偏心荷载作用下，易使桥梁发生横向转动，如图1所示。对于曲线桥梁，受弯扭耦合效应的作用，内侧支座容易出现脱空，导致桥梁横向倾覆;对于直线桥梁，靠外侧支座连线即为桥梁横向倾覆轴，当靠外侧支座位置设计不合理时，则会影响桥梁抗倾覆的稳定性。

（2）外在因素的影响。引发桥梁横向倾覆的主要外在因素是车辆通行产生的荷载作用，若车辆长时间且大量集中在外侧车道通行，则会增加桥梁倾覆风险。据调查结果显示，多辆超载重载车辆同时行驶于外侧车道上是引发桥梁横向倾覆倒塌的重要因素，比如哈尔滨阳明滩大桥和无锡高架桥倾覆坍塌，造成多人伤亡，给人民的生命安全带来极大的危害。按照极端车辆超载进行设计是不合理、经济的，因此，加强超载车辆的排查也有助于降低桥梁倾覆事故的发生。

2 桥梁横向倾覆机理

桥梁的倾覆破坏往往突然，破坏形式多样且伴随体系变化，事故后果严重。随着偏心荷载的增加，单向支座脱空、箱梁梁体扭转，支反力的重分配致使下部结构偏心受压显著，水平反力明显增大;当扭转角度进一步加大，短时间内箱体发生滑移，同时支座及下部结构破坏至结构失效。考虑到不同结构体系，本文对直桥和弯桥分别进行分析。

（1）直桥。直桥在倾覆发生时的变形是由桥梁垂直位移及整个桥梁转动两者叠加形成的，当支座发生脱空后，必定引起桥梁的主梁产生垂直方向的弹性弯曲变形和整体的扭动，这种情况下整个梁体的扭角大小与桥的垂直变形是直接相关联的。当直桥的支撑座布置是按照里外两侧对称进行时，桥的两端未脱空的支撑座发生的位移小，在这种情况下边支座点位置的桥梁界面中心，其垂直方向的位移是扭角与支座间距一半的乘积，脱空侧支座的垂直位移是扭角与支座间距的乘积。在这种计算模式下变形、计算结果和图形指示是无差别的。也就是说这种与受力平衡方式相同的变形模式是经过几何方式所协调的。

（2）弯桥。在倾覆过程中，弯桥中墩铰接曲线独柱支撑梁式桥的截面法线处于不同的方向，并且在变形协调方式上与直桥存在差异。在抵抗倾覆时，弯桥截面的抗扭刚度能够使其作用得到相应的发挥。桥梁整体倾覆破坏的出现是在边支座脱空发生较长时间以后，主要作用在中墩上，其表现形式为支座转角因为超越能力极限而遭到破坏。

3 公路与城市道路桥梁抗倾覆设计

（1）工程概况。某公路项目中的一座高架桥，主线为连续箱梁，跨度30 m，最大和最小桥宽分别为20.5 m和13 m，匝道桥位于曲线段上，高架桥结构如图2所示。因该工程所在地对桥梁景观的要求比较高，所以经方案比选之后，最终主线桥与匝道桥全部采用大悬臂斜腹板箱梁和直立式哑铃型实体薄壁墩。由于受到桥墩横向宽度的限制，加之匝道桥位于曲线之上，使得抗倾覆成为该桥梁设计的重点环节。应当在保证结构安全性、经济性和美观性的前提下，提出科学合理、切实可行的抗倾覆设计方案。

（2）设计思路。桥梁结构抗倾覆设计中，应当对相关尺寸进行初步拟定，如桥墩横向宽度，需要重点考虑的因素包括桥宽与墩宽的协调性、箱梁横向抗倾覆稳定性等。具体拟定的过程中，充分考虑对横向抗倾覆不利的汽车荷载工况，进行有限元计算，分别计算出恒荷载作用下的稳定效应和汽车荷载作用下失稳效应，得到能够满足横向抗倾覆稳定系数超过2.5的横向支点的最小间距，在此基础上，以支座的布设空间为前提条件，对桥墩的最小横向宽度进行合理确定。

（3）抗倾覆计算。在本工程中，对桥梁结构进行抗倾覆设计时，应当对支座反力及上部结构的抗倾覆稳定系数进行验算，具体如下：

对于直线桥而言，其倾覆旋转轴是所有外侧支点在纵向上的连线，而曲线桥与直线桥则存在一定的差别，它的支点连线位于弧线之上。所以在设计计算时，需要找到最不利的倾覆旋转轴。采用常规的方法对连续箱梁桥进行抗倾覆计算，步骤比较繁琐，其实在旋转线外弧侧的桥面面积越大，桥梁结构发生倾覆的可能性就越高。当这个面积达到一定程度时，桥梁将会100%出现倾覆。由倾覆的实际过程可以获悉其产生的原因，即向圆弧内外两侧的扭矩出现明显的差异。因此，可以在支座连线的中间位置处施加一个抗扭约束，并以支座连线作为坐标系中的X轴，然后依托双重荷载下的扭矩，便可快速计算出桥梁结构的抗倾覆力矩，这样便能够获得稳定系数，据此对桥梁结构进行抗倾覆设计。

依据计算结果可知，本工程桥梁结构在直线段上的抗倾覆稳定系数取值范围为不小于2.5;在曲线段上，取值范围不宜低于4.0，这个取值范围能够满足抗倾覆稳定性要求，从而确保桥梁结构的整体安全性。

（4）抗倾覆设计体会。1）对于桥梁结构而言，影響抗倾覆和各个支点反力的主要因素为支点本身的横向间隔距离。通过本次抗倾覆设计，在计算中发现，支点间横向距离的增加将有益于抗倾覆稳定系数的提高。鉴于此，在公路桥梁抗倾覆设计中，可以采用以下墩柱形式来拉开各个支点之间的横向距离：T型墩柱、Y型墩柱、门式墩以及双柱墩等。 2）当桥梁结构的横向间距受到限制，此时产生的反力可能为负值，即负反力。针对该情况，在进行抗倾覆设计时，连续墩柱可以采用设置偏心独立支座的方法。如果是柔性结构的连续高墩，那么可以采用墩与梁体相互固结的方式，并在过渡段设置拉力支座。 3）通常情况下，箱梁内侧与外侧的反力应当保持均匀一致，但是曲线半径会对箱梁反力产生一定的影响，从而导致内外侧的反力不均匀，由此会增大箱梁向外弧侧倾覆的可能性。因此，支点应当向外侧设置偏心，以反力均衡作为原则，在充分考虑偏心弯矩的基础上，对预应力钢束进行合理布设。4）在对弯桥进行抗倾覆设计时，应适当加大容易出现负反力墩台侧的跨径，增加其恒荷载，也可以减小相邻跨径，以防负反力的出现。5）在桥梁结构中，盆式支座具有横向约束作用。因此，在抗倾覆设计计算时，应充分考虑支座允许的横向变形（正常为3.0 mm～4.0 mm），通过对这个位移的合理释放，能够减少横向反力。如果支点的横向反力超过竖向反力10%以上，那么应当隔墩设置盆式支座。

4 结束语

综上所述，公路桥梁工程中，抗倾覆设计既是重点也是难点，为避免桥梁发生倾覆失效的问题，设计人员应当掌握抗倾覆设计，并结合实际工程，对桥梁结构抗倾覆进行合理设计，保证桥梁的安全性与稳定性。

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