基于抗扭失效的桥梁抗倾覆研究20130220-第6届中国公路科技创新高层论坛

基于抗扭失效的桥梁抗倾覆研究阴存欣 秦大航 包琦玮（北京市市政工程设计研究总院 北京 100082）摘要：本文根据作者从事的桥梁抗倾覆调查及研究的经验为基础，系统详细地阐述了桥梁抗倾覆分析的方法，并通过直桥和弯桥从未脱空到脱空，从脱空到倾覆的全过程分析，得出了基于抗扭失效的桥梁抗倾覆规律，即桥梁倾覆为约束体系不断变化条件下桥梁体系抗扭刚度不断降低的非线性发展过程，同时提出了提高桥梁抗倾覆性能的各种措施。

关键词：桥梁，独柱支承，扭转，抗倾覆Study on Bridge s’Resisting Capsizing on the Base of Invalidity of Torsion StiffnessYin cunxin，Qin dahang，Bao qiwei(Beijing General Municipal Engineering Design & ResearchInstitute，Beijing 100082)ABSTRACT: Based on the experience of research and study on stability of bridges’resisting capsizing, methods of research and analysis of bridges ’ capability of stability on resisting capsizing have been described. According to the calculation and analysis result of the total procedure from initial status to the stage of bearing’s separation from restriction, and to the capsizing status, the laws of the loss stability in torsion performance of bridge has been drawn that it’s really a nonlinear procedure which shows a decrease of torsion stiffness with different supporting systems in different stages. The countering methods of upgrading the torsion resisting performance of bridges are also propounded.KEYWORDS: bridge, supporting systems with single pole, torsion, resisting capsizing.一、引言独柱桥梁具有轻巧纤细美观的建筑效果，近年来大量市政和公路桥梁都采用了独柱桥梁的结构体系，如图1~2,但是由于严重超载和规范的空白以及前期设计认识上的可能不足等多方面的原因，全国各地已经多次发生桥梁侧倾、侧滑、倾覆事故。

2009年7月15日凌晨，津晋高速公路天津塘沽收费站东侧800米处一匝道桥坍塌造成重大交通安全事故，如图3，当时货车在匝道一侧排队避让逆行的倒退车辆。

2010年9月28日中午11点，秦皇岛东港路南山立交高架桥3B#～7B#发生侧倾，如图4，从现场上可见破坏的抗震设施的钢材碎片。

2012年8月24日凌晨哈尔滨阳明滩桥引桥倾覆。

2009年津晋高速事故发生后，北京市交通委和路政局高度重视，立即要求相关部门针对津晋高速桥梁坍塌事故，开展我市已建城市桥梁安全检查工作。

我院对本单位承担设计的五环以内400多座桥梁进行了调查统计，并进行了研究分析，对桥梁抗倾覆规律有了较为充分认识，为管理部门提供了合理化建议，得出了一些有意义的结论，为后续的科研课题奠定了基础。

2012年哈尔滨事故发生后，国务院下文给全国都下达了排查令，要求对已建和新建工程进行抗倾覆安全性的排查，我院对北京五环以外的独柱桥梁和环路之间的放射联络线以及外地的项目也进行了排查。

图1 独柱支承的弯桥图2 独柱支承的直桥图3 津晋高速桥梁坍塌事故图4 秦皇岛东港路侧倾桥梁二、桥梁抗倾覆安全性评价研究方法（一）桥梁抗倾覆排查方法由于独柱桥梁在桥梁数量上占了相当大的比例，要得出一个普遍而又符合科学性的结论，首先需要找到一个排查的方法。

我们首先设计了一个桥梁要素提取表，把桥梁结构的主要参数，尤其是和抗倾覆性能密切相关的参数一一列表统计。

这些参数主要包括：桥梁结构形式、跨径组合、设计年代、设计荷载标准、平曲线半径、边墩类型、边墩支座类型及支座间距、中墩类型、中墩支座类型、中墩预设偏心值、防落梁等抗震措施、中墩基础.、桥面宽与边支座间距比、车行道宽、箱室底宽等。

这样就可以对所有桥梁的信息有一个较为全面的了解，并且可以根据各种要素对信息库进行排序。

根据分析经验，中墩采用墩梁固结的桥梁抗倾覆安全性较高，其倾覆安全性能由墩柱的承载能力决定，而桥面宽与边支座间距比却是一个对桥梁抗倾覆安全性起着重要决定作用的因素，其数值越大，抗抗倾覆安全性能越低，尤其是设计的桥面宽与边边支座间距比大于2.5的桥梁，应该引起高度重视，在排查时应该挑出该值较大的桥梁进行重点分析。

（二）倾覆临界状态及抗倾覆安全系数的定义确定抗倾覆分析的对象后，需要采取合适的力学方法及对抗倾覆分析的科学评价方法。

抗倾覆安全性在既有规范上是空白，根据我院09年工作成果定义2种临界倾覆状态：中墩铰接独柱支承梁式桥的倾覆破坏均首先表现为边墩支座脱空，然后出现中墩支座转角超限，最终发生结构整体倾覆。

边墩支座出现脱空和中墩支座转角达到0.03rad 作为中墩铰接独柱支承梁式桥的倾覆临界状态。

中墩全部采用支座的独柱支承梁式桥,中墩铰接独柱支承梁式桥的倾覆破坏均首先表现为边墩支座脱空，然后出现中墩支座转角超限，最终发生结构整体倾覆。

其中边墩支座出现脱空为第一倾覆临界状态，中墩支座转角达到0.03rad 为第二倾覆临界状态。

通常直桥由第一状态控制，弯桥由第二状态控制 ，在之后的抗倾覆过程分析中将给出说明。

对于采用中墩固结的独柱支承的梁式桥，在偏心荷载作用下，往往承载能力状态先于倾覆状态，建议不列入抗倾覆研究范畴。

对于抗倾覆安全系数k 可定义为式1的形式，其中，各参数意义如下：qc cd M M k = qc c d M M M ∑∑−= （式1）k 为汽车荷载作用下结构的倾覆稳定安全系数；M cd 为考虑结构初始倾覆效应后，中墩支座转角达到临界倾覆状态结构的抗倾覆效应；M qc 为按最不利布载原则，规范汽车荷载作用下结构的最不利倾覆效应。

∑M d为倾覆临界状态结构抗倾覆效应；∑M c为初始状态结构倾覆效应。

对于结构本身的效应需要考虑自重、二期恒载、混凝土收缩、徐变、预应力荷载及温度效应等影响。

对于安全系数的大小多少合适，在制定规范时需要有一个安全性和经济性的综合考虑。

由于结构出现倾覆临界状态需要一个过程，安全系数k只能通过对每个结构都进行全过程分析才能得到，无法通过简单取矩的方式得出。

三、桥梁抗倾覆安全性能分析从平衡到脱空到倾覆的过程，其结构支承体系是变化的，即使在弹性状态，其体系的位移和力的关系也是呈现非线性发展的，在进行活载布载时要充分考虑这一点，由于支座脱空后结构体系发生了变化，而影响线是在一定结构体系条件下解出的，在边界体系发生变化的情况下往往不能实现用影响线或者影响面加载方式进行总活载效应的计算，可以采用手动布载最大满足该布载条件，按单向受压支承条件进行多阶段的非线性计算。

即使软件能按照影响线布载，其效果也应该按照最不利扭转角影响线或影响面布载布出的而不是反力影响线或影响面布出的才是最不利的。

在实际抗倾覆分析中，采用实际发生的特殊车辆荷载会更符合实际，本文案例在不影响倾覆规律分析条件下，采用的加载模式为车道荷载按偏载方式加载的方式。

图5，图6示意了了直桥和弯桥在倾覆临界状态的支撑面，但是不能按照刚体平衡的理论力学方法来理解桥梁倾覆时的位移和受力规律，如果按未脱空一侧支座连线为转轴用力矩平衡的方式求解倾覆安全系数，算出的安全系数会远远偏大。

图5 直桥偏载作用下结构支撑面图6 弯桥偏载作用下结构支撑面（一）直桥倾覆全过程分析1. 直桥倾覆过程的转角-荷载关系下面以某一直桥案例的分析来说明直桥基于抗扭失效的倾覆发展过程。

某已建桥梁工程2#-6#墩之间为4跨预应力混凝土连续梁桥，跨径26.6+3x30m，主梁混凝土标号C45,桥面宽0.48m栏杆+7.25m车行道+0.48m栏杆共8.21m,主梁高140cm,底板宽345cm，悬臂238cm。

2＃，6＃墩处设隐盖梁，3＃，4＃，5＃为独柱中墩。

边敦各设2个GJZF4 30x65x5cm滑板支座,支座横向间距2.3m，桥宽边支座间距比为3.15。

中墩采用C35混凝土，采用外径95cm 内径24cm厚度11.5cm的板式环形橡胶支座。

桥面铺装为8cm沥青混凝土+7cm抗折混凝土，PL2装配式防撞栏杆。

抗震设施情况为隐盖梁与端横梁采用直径7cm锚栓，中墩采用直径16cm抗震锚栓。

断面形状如图7所示，支承方式布置如图8所示。

活载布置方式：按偏离桥梁中心线2.225m布置最外一条行车路线。

所有荷载按阶段荷载考虑，滑板支座按单向受压桁架元考虑，中墩的支座按单向受压单元以及有剪切刚度的弹性支承考虑。

用MIDAS 进行空间分析，计算时考虑冲击系数，由于单向受压脱空过程是非线性计算，用影响线加载方式难于实现，将汽车活载转化为静力工况分阶段计算。

图7 跨中断面图图8 支承布置平面图表1 各种工况下的计算反力位移汇总表 组合的汽车荷载加载系数 0.0 1.0 1.2 1.3 1.5 2.0 最大扭转角（弧度） 0.000 0.0030.004 0.05 0.16 0.44位移 边支座竖向位移（cm） -0.1 0.0 0.17 11.5 36.7 99.8 2＃外 927 95 0 0 0 02＃内 927 1891 2014 2198 2599 36033＃ 4545 4934 5007 4664 3901 19894＃ 4577 5332 5486 5963 6999 95935＃ 4795 5210 5293 5017 4400 28556＃内 1057 2019 2282 2440 2751 3522反力 6＃外 1057 247 15 0 0 0图9 直桥转角—荷载关系图从表1可以看出，恒载+1.0倍的汽车设计荷载组合时主梁中墩最大扭转角0.003弧度，边敦最小反力95KN ，超载20％时，边支座一个脱空，一个临近脱空，反力15KN ，最大竖向位移1.7mm ，根据表中恒载组合下的反力及恒载+1.0设计荷载下的反力，可以推算出第一次出现边支座脱空的加载系数为1.114。