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 Stiffness

Yin cunxin，Qin dahang，Bao qiwei

(Beijing General Municipal Engineering Design & Research

Institute，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