独柱支承梁式桥倾覆稳定性分析及抗倾覆措施研究

题目：独柱支承梁式桥倾覆稳定性分析

及抗倾覆措施研究

摘要

目前，国内公路桥梁规范、城市桥梁规范及铁路桥梁规范均未提及独柱支承梁式桥倾覆稳定性本质特征及验算方法，也未对桥梁抗倾覆措施作出具体规定。为减免独柱支承梁式桥倾覆事故的发生，对该类桥梁倾覆稳定性及抗倾覆措施进行研究。根据结构受力特点及其倾覆破坏特征，独柱支承梁式桥分为：中墩固结独柱支承梁式桥、中墩铰结直线独柱支承梁式桥、中墩铰结曲线独柱支承梁式桥。揭示了中墩固结独柱支承梁式桥倾覆破坏为构件强度破坏；中墩铰结独柱支承梁式桥倾覆破坏首先表现为边支座脱空，然后出现中墩支座转角超限，最终发生结构倾覆的本质特征。推导了独柱支承梁式桥倾覆稳定性验算方法，并通过对北京市典型桥梁倾覆稳定性分析，发现中墩铰结直线独柱支承梁式桥倾覆破坏表现为边支座脱空；中墩铰结曲线独柱支承梁式桥倾覆破坏表现为中墩支座转角超限。同时对保证桥梁倾覆稳定性的结构构造及抗倾覆措施进行了研究，得出边墩设置抗倾覆措施对提高主梁抗倾覆能力更有效。通过上述研究，可供同类桥梁的设计及维修加固参考。

关键词：独柱支承，倾覆稳定性，荷载系数，临界状态，抗倾覆措施

目录

摘要 (Ⅱ)

绪论 (1)

一、独柱支承梁式桥分类及其倾覆破坏特征研究 (2)

1、独柱支承梁式桥分类 (2)

2、各类独柱支承梁式桥倾覆破坏特征研究 (2)

二、独柱支承梁式桥倾覆稳定性验算方法 (4)

1、倾覆临界状态的确定 (4)

2、中墩铰接独柱支承梁式桥倾覆稳定性验算方法 (5)

3、稳定验算的初始状态 (6)

三、北京市独柱支承梁式桥倾覆稳定性研究 (7)

1、典型研究模型的选取 (7)

2、倾覆稳定性分析结果 (7)

四、抗倾覆措施研究. (13)

1、抗倾覆措施原则 (13)

2、抗倾覆措施抗倾覆能力分析 (14)

结论. (16)

参考文献. (18)

绪论

随着我国现代交通运输业迅速发展，高速公路、城市立交桥和高架桥的大量建设，具有理想净空及透视度的独柱支承梁式桥在立交匝道中得到广泛采用。但由于独柱墩在横桥向采用单支点支撑，在汽车偏载作用下，对结构的横向抗倾覆稳定非常不利[1]。目前我国的桥梁设计工作者关注的重点多集中于桥梁的抗弯、抗剪承载能力方面，对桥梁结构的整体稳定性关注不足，再加上规范对结构整体倾覆稳定性验算规定的缺失，以及严重超载、超限车辆的通行，导致了多起桥梁倾覆事故的发生，造成了巨大的经济损失和极其恶劣的社会影响。我国现行的公路桥梁规范对桥梁倾覆稳定性没有相关规定，处于空白状态；现行城市桥梁设计规范提出了保证桥梁整体稳定性的要求，但未给出明确的验算方法；现行铁路桥梁设计规范规定“梁式桥跨结构在计算荷载最不利组合作用下，横向倾覆稳定数不应小于1.3”，并给出了具体的验算方法，但由于独柱支承梁式桥与铁路桥梁结构特征的差异性，上述方法对其适用性不强。本文通过对北京市独柱支承梁式桥倾覆稳定性研究，发现各类独柱支承梁式桥倾覆破坏的本质特征，从而制定出适用于验算独柱支承梁式桥倾覆稳定性的方法。同时对有效提高桥梁倾覆稳定性的抗倾覆措施进行了研究，可供同类桥梁的设计及维修加固参考。

一、独柱支承梁式桥分类及其倾覆破坏特征研究

1、独柱支承梁式桥分类

根据独柱支承梁式桥受力特点及其倾覆破坏特征，可将其分为3种类型：①中墩与主梁间固结的独柱支承梁式桥，简称中墩固结独柱支承梁式桥；②中墩与主梁间采用支座连接的直线独柱支承梁式桥，简称中墩铰接直线独柱支承梁式桥；③中墩与主梁间采用支座连接的曲线独柱支承梁式桥，简称中墩铰接曲线独柱支承梁式桥。

2、各类独柱支承梁式桥倾覆破坏特征研究

中墩固结的独柱支承的梁式桥，在偏心荷载作用下，随着主梁扭转效应的增加，墩柱及基础所受横向弯矩及水平剪力逐渐增大，当其内力超出其承载力时，墩柱或基础发生破坏，从而导致主梁倾覆。中墩固结独柱支承梁式桥其倾覆稳定性主要依赖于中墩及基础的受力性能[2]，此类桥梁倾覆稳定性的验算最终归结为中墩及其基础的强度及稳定性验算，可按照公路规范的荷载组合及相应验算内容执行。

中墩铰接直线独柱支承梁式桥，在偏心荷载作用下，随着主梁扭转效应的增加，边支座出现脱空，导致主梁支承体系发生变化，随着荷载的进一步增加，结构转化为机构，无法再次形成平衡状态，从而发生倾覆破坏。中墩铰接直线独柱支承梁式桥在整个倾覆过程中主梁旋转轴基本不变，边支座脱空后经过很短的历程即发生整体倾覆破坏。

恒载作用结构受力示意图

图1-1 中墩铰接直线独柱支承梁式桥倾覆受力示意

中墩铰接曲线独柱支承梁式桥，在偏心荷载作用下，随着主梁扭转效应的增加，边支座首先出现脱空，结构主梁支承体系发生变化，但随着荷载的进一步增加，结构旋转轴发生变化，从而形成新的平衡状态，当荷载增量导致不能再次形成平衡状态、或因中墩支座破坏导致结构构件出现强度破坏时，桥梁发生整体倾覆。一般情况下，中墩支座破坏较早发生，通过对支座性能研究，当支座竖向转角大于0.03 rad时[3]，可认为支座已经破坏。

恒载作用结构受力示意图

图1-2 中墩铰接曲线独柱支承梁式桥倾覆受力示意

二、独柱支承梁式桥倾覆稳定性验算方法

1、倾覆临界状态的确定

（1）中墩固结独柱支承梁式桥

由于中墩固结独柱支承梁式桥其倾覆稳定性主要依赖于中墩及其基础的受力性能，此类桥梁倾覆稳定性的验算最终归结为中墩及其基础的强度及稳定性验算，因此可按照公路规范的荷载组合及相应验算内容执行，设计时应充分重视由于墩柱与主梁固结造成的墩柱附加内力，确保在正常使用条件下的结构受力安全。

（2）中墩铰接独柱支承梁式桥

通过1.2节分析可知，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。虽然中墩支座转角超限后，结构并没有整体倾覆，但结构状态已很难把握，计算模拟困难，因此为保证结构安全、便于实际操作，将结构倾覆过程中结构体系发生变化的两个确定状态，即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，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。

2、中墩铰接独柱支承梁式桥倾覆稳定性验算方法

结构倾覆稳定性一般可按如下公式进行验算[4]：

q

d ∑∑=

M M

K （2-1）

式中，K 为倾覆稳定安全系数；d ∑M 为结构抗倾覆力矩；q

∑M 为

结构倾覆力矩。

对于确定的独柱支承梁式桥而言，其抗倾覆能力为确定值，但结构倾覆效应组成极为复杂，尤其对于曲线桥，自重、二期恒载、预应力荷载、混凝土收缩、徐变及温度效应等空间力系均会产生倾覆矩，因此按上述公式验算独柱支承梁式桥的倾覆稳定性可操作性差，且对于已有结构，验算结果也缺乏实际指导意义。

实际工程应用中，正常使用阶段结构承载汽车荷载和施工阶段结构承载某种偏心荷载的能力是从业人员最为关注的问题。若定义结构在除验算荷载外的其他荷载作用下的受力状态为倾覆稳定验算初始状态，从而研究正常使用阶段汽车荷载和施工阶段某种偏心荷载在对应初始状态上的倾覆稳定性具有重大意义。上述方法不但可反应结构的实际抗倾覆性能，且能有效简化计算，增加验算方法的可操作性。据此，独柱支承梁式桥倾覆稳定性验算公式可演化为：

y

kM M M

+=∑∑c d

（2-2）

y

c

d

M M M

k ∑∑-=

（2-3）

y

cd

M M k =

（2-4）

式中，k 为结构在验算荷载下的倾覆稳定安全系数；d ∑M 为倾覆临界状态结构抗倾覆力矩；c M ∑为初始状态结构倾覆力矩；y M 为验算荷载倾覆力矩；cd M 为考虑初始倾覆效应后，倾覆临界状态下结构抗倾覆力矩。

独柱支承梁式桥达到本文定义的倾覆临界状态时，结构仍处于小变形范畴，验算荷载与倾覆效应间存在一一对应关系，为进一步简化计算，式2-4可转化为如下形式：

p

q S S k =

（5）

式中，k 为结构在验算荷载下的倾覆稳定安全系数；Sp 为倾覆最不利荷载工况的规范汽车荷载；Sq 为考虑初始倾覆效应后，导致结构出现倾覆临界状态的的最大汽车荷载。

3、稳定验算的初始状态

当验算一种或几种偏心荷载作用下结构的稳定性时，对结构初始状态的把握至关重要，初始状态出现偏差将直接导致得出错误的验算结论，给结构安全带来隐患。独柱支承梁式桥的倾覆稳定为空间受力行为，尤其对于曲线梁桥，自重、二期恒载、混凝土收缩、徐变、预应力荷载及温度效应所产生的扭矩和扭转变形对结构倾覆稳定性影响较大，因此验算时必须根据实际结构建立空间模型，准确模拟其力学行为。

三、北京市独柱支承梁式桥倾覆稳定性研究

1、典型研究模型的选取

北京市内立交众多，相应其定向匝道中的独柱支承梁式桥数量巨大，根据调查得到北京市五环内（含五环）的典型独柱支承桥梁400余联，分别对上述桥梁就一联跨数、联长、主梁形式、桥宽、平曲线半径、中墩与主梁连接形式进行数据统计[5]。根据统计结果，选择2个具有代表性的桥梁结构进行倾覆稳定性研究。模型1：25 m+35 m+25 m预应力混凝土桥；模型2：30.5 m+42m+42 m+30.5 m预应力混凝土桥。2个模型桥梁中支承均采用固结或者盆式橡胶支座、边中跨比为0.7；桥梁宽度分别取8，9，10 m；边支承间距分别取3.3，3.7，4.2，4.5 m；桥梁平曲线半径分别取90，150，250 m、直线。

2、倾覆稳定性分析结果

（1）中墩固结独柱支承梁式桥分析结果

对于中墩固结独柱支承梁式桥，倾覆稳定性验算以考察结构中墩及其基础的承载能力为主。独柱支承梁式桥多以1、2车道+应急车道为主，其对应宽度为8m～10m，上部结构计算时加载车道数约为2.5。从承载能力匹配、协调出发，初拟汽车偏载加载量为导致中墩最大弯矩趋势规范规定的一列车队荷载的2.5倍，固结墩弯矩结果见图3-1、图3-2。

图3-1、图3-2中R为平曲线半径、B为桥梁宽度、L为边支承间距。通过图3-1、图3-2中数据进行总结，可以得出如下结论：

?中墩固结独柱支承梁式桥倾覆稳定性主要依赖于固结墩及基

础的受力性能，偏心荷载作用下固结墩产生较大的弯矩、剪力，设计时应充分重视；

?相同条件下固结墩横向弯矩随着桥面宽度的增大而增加，且趋

势显著；随边支承间距的增大而减小，但趋势不显著，总体而

言，窄桥倾覆稳定性优于宽桥；

?对于偶数跨中墩固结独柱支承梁式桥，直线桥固结墩横向弯矩

小于曲线桥；

?对于奇数跨中墩固结独柱支承梁式桥，固结墩横向弯矩绝对值

随曲线半径的减小而增加；

?相同条件下，固结墩内力随结构联长的增加而增加。

（2）中墩铰接独柱支承梁式桥分析结果

利用本文2.2节提出的验算方法对典型模型进行计算分析，得出其在不同参数取值、两个倾覆临界状态下汽车荷载的倾覆稳定安全系数，结果见表3-1、图3-3、图3-4。

表3-1 典型模型1、2稳定性验算结果

（a）直线桥验算结果（b）平曲线半径250m验算结果

（c）平曲线半径150m验算结果（d）平曲线半径90m验算结果

图3-3 典型模型1倾覆稳定性验算结果

（a）直线桥验算结果（b）平曲线半径250m验算结果

（c）平曲线半径150m验算结果（d）平曲线半径90m验算结果

图3-4 典型模型2倾覆稳定性验算结果

表3-1、图3-3、图3-4中R为平曲线半径、B为桥梁宽度、L为边支承间距。通过表3-1、图3-3、图3-4中数据进行总结，可以得出如下结论：

边支承间距一定时，桥梁倾覆稳定安全系数随着桥面宽度的增加而减小；桥面宽度一定时，桥梁倾覆稳定安全系数随边支承间距的增加而增加；

?中墩铰接独柱支承梁式桥，第一倾覆临界状态下汽车荷载的倾

覆稳定安全系数随着联长的增加而降低；

?中墩铰接直线独柱支承梁式桥，第二倾覆临界状态下汽车荷载

的倾覆稳定安全系数随着联长的增加而降低；中墩铰接曲线独

柱支承梁式桥，第二倾覆临界状态下汽车荷载的倾覆稳定安全

系数随着联长的增加而增加；

?相同条件下，中墩铰接直线独柱支承梁式桥第一倾覆临界状态

下汽车荷载的倾覆稳定安全系数大于中墩铰接曲线独柱支承

梁式桥，但第二倾覆临界状态下汽车荷载的倾覆稳定安全系数

小于中墩铰接曲线独柱支承梁式桥；

?中墩铰接直线独柱支承梁式桥，从第一倾覆临界状态到第二倾

覆临界状态的荷载增量不大，可认为边支座出现脱空即意味着

桥梁倾覆事故的出现，此类桥梁应以控制结构的第一倾覆临界

状态为主。

?中墩铰接曲线独柱支承梁式桥，从第一倾覆临界状态到第二倾

覆临界状态的荷载增量较大，边支座出现脱空到桥梁倾覆事故

的发生需经历较长的荷载增加历程，此类桥梁应以控制结构的

第二倾覆临界状态为主。

四、抗倾覆措施研究

1、抗倾覆措施设置原则

桥梁倾覆类似于结构的“脆性”破坏，防范困难，一旦发生将造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。为避免桥梁倾覆事故的发生，在正常使用阶段，管理单位应严格限制车辆的超载运营；前期设计阶

段，设计人员应充分重视此类桥梁的倾覆稳定问题，除要求结构自身具有足够的倾覆稳定安全度外，还应采取必要的抗倾覆措施，提高桥梁抗整体倾覆能力，同时发挥警示功能，变“脆性破坏”为“延性破坏”。

抗倾覆措施一般有拉力支座、上下部连接装置及其他结构构造措施。对于抗倾覆能力先天不足的桥梁形式，在设计时应尽量加大边支承的间距，并且边墩应采用双支座形式，当主梁悬臂较大时，可将边横梁伸出箱室以加大支承间距。

2、抗倾覆措施抗倾覆能力分析

为研究抗倾覆措施对桥梁抗倾覆能力的提高程度，本文对3.1节提到的典型模型（直线桥）在设置抗倾覆措施前后的倾覆稳定性做了分析。抗倾覆措施采用上下部连接装置，具体构造见图4-1，其单个竖向承载能力为700kN，分别按中墩、边墩处设置一对考虑，其中墩处两装置设置间距为 1.9m，边墩处设置间距同边支承间距。计算结果见图4-2、图4-3。

图4-1 上下部连接装置示意图（单位mm）

（a）模型一计算结果（b）模型二计算结果

图4-2 中墩设置抗倾覆措施前后倾覆稳定性对比

（a）模型一计算结果（b）模型二计算结果

图4-3 边墩设置抗倾覆措施前后倾覆稳定性对比

从图4-1、图4-2中数据可知，对于独柱支承梁式桥，当采用上下部连接装置类的抗倾覆措施时，应在边墩处设置，中墩设置对结构倾覆稳定性贡献不大，且相同条件下，边墩处布置间距越大，对结构抗倾覆能力的贡献越大。

结论

桥梁倾覆破坏为瞬时行为，类似于结构“脆性”破坏，防范困难、经济损失大，且会造成非常恶劣的社会影响，应引起从业人员的高度重视。本文通过对独柱支承梁式桥倾覆稳定性及抗倾覆措施的研究得出以下结论及建议：

（1）边支承间距一定时，桥梁倾覆稳定性随着桥面宽度的增加而减小，且趋势明显；桥面宽度一定时，桥梁倾覆稳定性随边支承间距的增加而增加，但其增加趋势较缓；

（2）中墩固结独柱支承梁式桥倾覆稳定性随联长的增加而减小；中墩铰接直线独柱支承梁式桥倾覆稳定性随联长的增加而减小；中墩铰接曲线独柱支承梁式桥倾覆稳定性随联长的增加而增加；

（3）相同条件下中墩固结独柱支承梁式桥倾覆稳定性优于中墩铰接独柱支承梁式桥，中墩铰接曲线独柱支承梁式桥倾覆稳定性优于中墩铰接直线独柱支承梁式桥；

（4）中墩固结独柱支承梁式桥倾覆稳定性主要依赖于固结墩及基础的受力性能，偏心荷载作用下固结墩产生较大的弯矩、剪力，设计时应充分重视；

（5）中墩铰接直线独柱支承梁式桥，从发生边支座脱空到中支点转角达到0.03rad的汽车荷载增量不大，可认为边支座出现脱空即意味着桥梁倾覆事故的出现，因此此类桥梁采用边支座脱空作为结构倾覆稳定性的验算指标合理、可行；

（6）中墩铰接曲线独柱支承梁式桥，从发生边支座脱空到中支点转角达到0.03rad的汽车荷载增量较大，边支座出现脱空出现到桥

梁倾覆事故的发生需经历较长的荷载增加历程，因此此类桥梁采用中支座转角达到0.03rad作为结构倾覆稳定性的验算指标合理、可行；

（7）抗倾覆能力先天不足的桥梁应设置抗倾覆装置，以提高结构的倾覆稳定性能，边墩设置抗倾覆装置相对于中墩设置抗倾覆装置对提高结构横向稳定性效果更加明显。