崔鹏飞

（华北水利水电大学土木与交通学院，河南 郑州 450045）

0 引言

在城市道路中，由于高楼密集并且环境复杂，为了方便出行，一些适应线形的曲线梁桥被越来越多的设计和使用。曲线梁桥不仅能满足周围地形的要求，而且其线条流畅，能够给人们带来美的感受。但是曲线梁桥在长期运营过程中承受车辆偏心荷载作用时，会产生很多病害，严重时还可能导致桥梁整体失稳。尤其是近十年来，在湖北、江苏、浙江等地已发生多起曲线梁桥偏载超载作用下的整体失稳事故，造成了极大的经济损失和人员伤亡。由上述案例可以发现，这些事故有以下3个特征。

①发生整体失稳事故的桥梁上部结构基本采用整体式箱梁，大多在桥台处采用抗扭支座+联中采用点铰支座的支承体系；从上部结构的材质来看，上部结构均较轻，其抗倾覆力矩较小，也容易发生倾覆事故。

②设计时桥梁支承间距较小。如果桥梁结构支座间距过小，结构就显得头重脚轻，也类似于单支承的形式，容易在车辆偏载作用下发生整体失稳。

③桥梁整体失稳事故发生时，无明显预兆，且桥梁在失稳前一般不会发生强度破坏。

目前设计人员在桥梁整体失稳方面的计算和加固还存在以下3个方面的不足。

①抗倾覆稳定系数的计算方法存在差异。不同地区按照规范进行抗倾覆稳定性的计算时，考虑的荷载工况不同。有些地区在进行抗倾覆计算时，失稳力矩仅仅考虑车辆荷载，这样使得其计算结果偏大。

②对超载车辆没有充分的预测。目前，车辆超载现象严重，在已发生的桥梁整体失稳事故中，实际车辆荷载值远远超过了规范要求的车辆标准值。以2019年无锡市上跨桥倾翻事故为例，其倾覆破坏的原因是两辆重型平板车严重超载且间距较近（160 t/32 t、超载400%；160 t/29 t、超载455%）。

③加固方案精细不够。设计人员对需要进行加固的桥梁不能做到因桥而异，提升效果如何也没有分析计算。还有部分地区对所有独柱墩都进行加固，加固的有效性也存在质疑。

虽然发生整体失稳事故的桥梁多为独柱墩桥梁，但是如果将这些事故桥梁中的单支座换成小间距的双支座时，同样也不能避免失稳事故的发生。

因此，研究曲线梁桥的抗倾覆性能以及制定出合理有效的防止桥梁失稳的加固措施是非常有必要的。本研究以实际工程为例，验算其加固前后的抗倾覆稳定性，旨在为今后曲线梁桥的设计施工等提供一定的参考依据。

彭卫兵等［1］介绍了桥梁整体失稳过程中的3个阶段和失稳的类型，并基于实际工程提出抗倾覆的计算方法；白小东［2］运用MIDAS建立一匝道曲线梁桥模型，分析不同支承条件下对桥梁稳定性的影响；魏远栋［3］分析了影响曲线梁桥抗倾覆性能的因素，还着重分析了典型车辆过桥时单车极限荷载，为桥梁设计提供了有意义的参考。

1 工程概况

1.1 结构参数

本研究选取三门峡境内某一四跨匝道桥，其跨径组合为（19+2×21+19）m，上部结构为连续箱梁，下部结构1#、2#、3#采用柱式墩，桥墩高10 m，墩柱直径1.6 m。该桥横向宽9 m，高度1.4 m，曲率半径为160 m，模拟边界约束按图1所示。

图1 该匝道桥支座布置图

利用桥梁结构分析专用程序MIDAS 2021对该桥进行抗倾覆计算分析，采用公路-Ⅰ级对桥梁进行计算，横向双车道，全桥共124个节点，112个单元，其桥梁模型图如图2所示。主梁混凝土采用C40，墩柱混凝土采用C30。

图2 该匝道桥模型图

1.2 荷载工况

1.2.1 永久作用。

①自重+二期恒载。二期恒载计算结果如下：沥青现浇层为19.2 kN/m；护栏为10.7 kN/m，分别加载于桥梁两侧。

②支座沉降。桥台处支座沉降5 mm，墩柱处支座沉降10 mm。

1.2.2 可变作用。

①车辆荷载。该桥横向布置两个车道，车道1距离桥梁中心线-2.6 m，车道2距离桥梁中心线0.5 m。

②温度荷载。温度荷载主要考虑梯度温度（升温、降温）、整体温度（升温20℃、降温20℃）。

③离心力和制动力。离心力在局部坐标轴y方向上布置单元荷载，制动力在桥墩支座处布置节点荷载。

2 原结构验算

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）［4］中的规定，为了保证桥梁在运营过程中不发生倾覆破坏，需同时满足以下两个状态。特征状态1：荷载基本组合时，支座不发生脱空；特征状态2：荷载标准组合时，稳定力矩与失稳力矩计算出的抗倾覆系数大于2.5。

查阅大量资料发现，对于运营桥梁，尤其是曲线梁桥，温度、离心力、动力等所产生的荷载也会引起桥梁整体失稳，为了使计算结果更加精确，本研究在设计时考虑这些因素进行抗倾覆计算。因此，对于特征状态1（支反力验算）的验算，按照RGK+1.4RMV+0.5RSM+1.05RT+1.05RTPG+1.4RST+0.735RBRK来进行，最后计算出0-1#支座在荷载基本组合作用下的支反力最小值为-348 kN，4-1#支座在荷载基本组合作用下的支反力最小值为-363 kN，均不满足规范要求，支座存在脱空的危险；对于抗倾覆系数的验算，最后计算出0-1#支座、4-1#支座在最不利标准组合下的抗倾覆系数为0.97，均小于2.5，桥梁有整体失稳的风险。因此，该匝道桥不满足规范要求，需要对其进行加固。

3 加固方案研究

对于不满足抗倾覆要求的桥梁，在加固前应该首先调查其建设条件，确定其桥梁下部净空、障碍物、水道等情况，判断其是否满足施工要求，要根据环境、结构等选择最合适的加固方案。针对桥梁抗倾覆验算的相关结论，桥梁加固措施主要是对桥梁下部结构进行加固改造，增加横桥向支点的数量，以达到提高桥梁整体抗倾覆稳定性的目的。其主要措施可以从增设拉杆和增设支座支承两个方面进行考虑，其中增设支座有很多具体表现形式，比如增设墩柱与支座，增设盖梁与支座，增设墩柱与支座等，具体见表1［5］。

表1 加固方案对比

综合这4种加固方案，受限于该匝道桥箱梁底面宽度跟桥墩高度的影响，推荐采用增设盖梁与支座的方法进行加固。该方案施工简单，可以最大限度地减少对原墩柱的损伤，加固后对桥下交通影响较少，能提高该匝道桥的稳定性，确保运营安全，其施工后的效果图见图3。

图3 施工效果图

增设盖梁与支座后，由于车辆偏载超载作用引起的弯矩与扭矩作用较大，如果加固的盖梁采用混凝土结构，为了满足结构的承载力要求，就需要添加更多的钢筋，这样就会使墩柱承受更多的荷载。因此经过多方面的比较，在设计时选择在1#墩、2#墩和3#墩增设钢盖梁的形式进行加固处理。其中钢盖梁与主柱的连接主要有两种方式：一种是通过钢套筒与混凝土间灌胶并用植筋锚栓连接；另一种采用钢套筒与混凝土墩柱抱箍并用对穿螺栓连接。加固后支座布置如图4所示。

图4 加固后支座布置图

4 加固效果分析

为了计算加固后该匝道桥的抗倾覆性能，用MIDAS 2021进行加固后的分析计算，其有限元模型如图5所示，同时荷载工况按照加固前的荷载工况进行计算。此时该匝道桥失效支座为0-1#、1-1#、2-1#、3-1#、4-1#支座，加固后的抗倾覆验算见表2。

图5 加固后箱梁模型图

表2 加固后匝道桥抗倾覆稳定性验算

经过计算，加固后各个支座节点最不利基本组合作用下支反力最小值都大于0，每个支座都不存在脱空的危险；在标准组合作用下，抗倾覆系数的最小值为5.02，大于2.5，满足规范要求，此次钢盖梁加固满足规范要求［6-7］。

5 结论

目前，桥梁发生破坏大多非桥梁自身强度、刚度破坏，主要是桥梁整体失稳破坏。本研究结合具体工程实例，利用MIDAS有限元软件，对该匝道桥在特定荷载工况下进行加固前后的支反力以及抗倾覆系数验算。最后，得出以下4个结论。

①利用MIDAS软件，对该匝道桥进行支反力以及抗倾覆系数的验算，结果表明，该匝道桥桥台内侧0-1#支座和4-1#支座存在脱空的风险，并且其抗倾覆系数不满足规范要求。

②在进行支反力和抗倾覆系数的验算时，只考虑汽车偏载会使计算的结果偏大，建议在荷载工况中还要考虑温度、支座沉降、离心力和制动力的影响，这样可以使结果更加精确。

③对于支反力验算没有满足规范要求的桥梁，可以采用增设拉杆的方式来改善；特征状态2即抗倾覆系数的验算没有满足规范要求，可以在墩柱位置处增设支座来改善。

④针对该匝道桥，结合其自身建设条件，最后选择采用增设钢盖梁与支座的方式来改善其抗倾覆性能，经过验算，加固后该匝道桥的抗倾覆性能满足规范要求。