桥梁的整体稳定计算

桥梁的整体稳定计算
摘要：城市桥梁尤其是高架桥或立交匝道桥，由于受桥下交通和桥梁美观的影响，设置单支点桥墩或横桥向小支座间距的设计形式被广泛采用，但由此造成桥梁的整体稳定问题日益突出，近年来由于车辆重型化和超载现象的发生，国内发生了多起桥梁整体失稳的事故，本文以工程案例为基础，介绍桥梁抗倾覆稳定性计算的方法，通过对相同参数曲线桥和直线桥的比较，得到相关结论。

关键词：整体稳定；脱空；倾覆轴线
abstract:city bridge especially the viaduct and interchange ramp bridge, because of the influence of traffic condition under the bridge and bridge appearance, set the single supporting pier or transverse direction of bridge design in the form of small spacing is widely used, but the overall stability of bridges have become increasingly prominent, in recent years due to heavy vehicles and overloading phenomenon, the spate of whole bridge collapse accidents, this paper based on the engineering case, the bridge overturning stability calculation method, through the comparison of the same parameters of curved bridge and straight bridge, conclusion.keywords: overall stability; void; overturning axis
中图分类号：u455.1文献标识码：a 文章编号：2095-2104（2013）
现代桥梁设计已不仅仅是桥梁结构设计，桥梁的景观设计已经是城市桥梁设计中必须考虑的部分，因此受占地、桥下通透性空间及桥梁横断面的景观性等因素影响，单支点桥墩或小支座间距的桥梁被广泛应用于城市桥梁中，由于横桥向采用单支点或小间距支撑，在汽车偏载作用下，桥梁的横向抗倾覆稳定非常不利。

本文通过对桥梁抗倾覆稳定性计算分析，提出相关的设计建议。

一、计算方法
箱梁的倾覆过程是在汽车荷载的倾覆作用下，单向受压支座依次脱空，边界条件失效而失去平衡的过程。

结构倾覆时，事前没有明显的征兆，其危害性极大，因此桥梁设计应避免桥梁倾覆的发生。

采用整体式断面的梁桥应该进行上部结构的抗倾覆验算。

上部结构的抗倾覆稳定系数应满足下式要求：
式中—抗倾覆稳定系数；
—使上部结构倾覆的汽车荷载（含冲击作用）标准值效应；—使上部结构稳定的效应标准组合。

桥梁在满足整体稳定的同时要求在作用的标准值（汽车荷载考虑冲击作用）下，单向受压支座不应处于脱空状态。

1、直线桥
倾覆计算首先应确定倾覆轴线，对于直线桥来说，倾覆轴线为位于箱梁中心线同侧的距离中心线较远的桥墩或桥台支座的连线，其抗倾覆稳定系数计算公式为：
式中—车道荷载的均不荷载标准值；
—车道荷载的集中荷载标准值；
—为桥梁全长或一联长度；
—横桥向最不利车道位置到倾覆轴线的垂直距离；
—冲击系数；
—成桥状态时各支座的支座反力；
—各支座到倾覆轴线的垂直距离。

2、曲线桥
对于弯桥，倾覆轴线随圆心角和横桥向支座间距变化而变化，当中间桥墩支座全部位于桥台支座连线内侧时，倾覆轴线为桥台外侧支座连线；当中间桥墩支座全部位于桥台支座连线外侧时，倾覆轴线为中间桥墩支座连线或外侧桥台支座与中间桥墩支座的连线，其抗倾覆稳定系数计算公式为：
式中—倾覆轴线与横向加载车道围成的面积；
—横向加载车道集中荷载到倾覆轴线的垂直距离的最大值；二、工程概况
某立交中e匝道桥上跨被交路，跨径布置为4x35米，桥梁全长146米。

上部结构采用预应力混凝土等截面现浇连续箱梁；下部结构1、3墩采用花瓶式墩、2号墩采用柱式墩(单支点)、桥台采用肋板台，钻孔灌注桩基础。

如下图所示
e匝道桥平面处于半径220米的圆曲线上。

桥梁路面净宽9米，
全宽为10米。

2#桥墩为单支点，其余均为双支点，横桥向支座间距为2.4米。

三、抗倾覆验算荷载工况
对上述桥梁上部结构抗倾覆能力进行验算，本次验算采用以下三种工况模拟车辆在桥梁上的不同组合情况。

工况1：《公路桥涵设计通用规范》（jtgd60-2004）公路-i级荷载，并验算支座是否脱空。

工况2：重车自定义车辆荷载。

考虑车辆超载情况，按车辆荷载（55t）车列布载，前后车轴距10m，即前后车净距7.8m；横向按规范车辆荷载横向布置方式布载，可多列布载。

工况3：重车自定义车辆荷载。

考虑车辆超载情况，按车辆荷载（55t）车列布载，前后车轴距3.2m，即前后车净距1m；横向按规范车辆荷载横向布置方式布载，仅单列布载。

四、抗倾覆验算
采用上述的曲线桥梁和与上述桥梁布置完全相同的直线桥梁进行对比分析，利用midas civil软件计算桥梁在恒载和活载偏载作用下的支座反力。

1、曲线桥梁
经比较曲线桥梁的倾覆轴线为1-2#墩支座和2-1#墩支座连线，各支反力、支座至倾覆轴线的距离及抗倾覆力矩计算如下表所示：
2、直线桥梁
直线桥梁的倾覆轴线为一侧支座的连线，各支反力、支座至倾覆轴线的距离及抗倾覆力矩计算如下表所示：
3、各工况计算结果
五、结语
1、现行桥梁设计规范对钢筋混凝土桥梁上部结构没有抗倾覆验算要求，仅要求标准荷载作用下桥梁支座不脱空。

经验算，本案例的直线桥和曲线桥的抗倾覆稳定性均满足要求。

2、从两座参数相同的直线桥和曲线桥各工况的抗倾覆稳定系数比较可知，曲线桥由于布置倾覆荷载的区域明显小于直线桥，故各工况的抗倾覆稳定系数均大于直线桥，因此在其它条件相同的情况下，曲线桥更容易满足抗倾覆稳定的要求。

3、从两座桥在倾覆荷载作用下的负反力比较可知，曲线桥的负反力要大于直线桥，而且随着桥梁曲线半径的减少，曲线桥与直线桥的负反力差值越来越大，因此在进行曲线桥梁设计时，尤其要注意防止支座脱空。

4、钢筋混凝土结构桥梁由于混凝土自重较大，抗倾覆稳定容易满足要求，但对钢结构或组合结构，由于钢材自重小，对桥梁整体稳定不利，工程设计中可以通过合理设置支座及增加配重的方法加以解决，确保桥梁运行安全。

5、通过三种工况分别模拟规范荷载和不同的车辆超载运行情况，
由于各地的车辆轴重分布不同，尤其是矿产资源丰富的地区，采用时应根据所在地区车辆情况，合理采用验算工况。

参考文献：
[1] 李国豪.桥梁结构稳定与振动. 北京：中国铁道出版社，2002
[2] 项海帆.高等桥梁结构理论. 北京：人民交通出版社，2001。