独柱单支承上部结构抗倾覆稳定性验算分析及应用

霍军会 孙海霞

(陕西省交通规划设计研究院，陕西 西安 710075)

独柱单支承上部结构抗倾覆稳定性验算分析及应用

霍军会 孙海霞

(陕西省交通规划设计研究院，陕西 西安 710075)

根据结构受力特点，分析了独柱单支承梁式桥倾覆破坏特征，据此制定出了适用于验算独柱支承梁式桥倾覆稳定性的计算方法，并结合实例对某座独柱单支承现浇梁桥进行了稳定性评价，可供同类桥梁的设计及维修加固参考。

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1 概述

在桥梁设计中，由于受到场地条件限制或考虑桥下景观的要求，立交区现浇箱梁桥下部经常采用独柱墩设计。然而近年来因上部箱梁整体倾覆，导致车毁人亡的事故频出，因此对此类桥梁上部倾覆稳定性的计算受到了极大重视。目前，设计人员重点关注的问题多集中在桥梁的承载能力方面，相对于桥梁结构的稳定性方面关注不足，另外桥梁相关设计规范对结构整体倾覆稳定性验算方面内容相对缺失，以及车辆严重超载、车辆通行受限等原因，导致了独柱单支承桥梁倾覆事故的发生[1]。本文首先分析了独柱单支承上部结构倾覆破坏特征，其次根据其破坏特征提出独柱单支承上部结构倾覆稳定性的计算方法，最后结合本计算方案对一座独柱单支承现浇梁桥进行稳定性评价。

2 独柱单支承上部结构倾覆破坏特征分析[2]

独柱单支承上部结构在偏心荷载作用下，墩柱及基础所受横向弯矩和水平剪力逐渐增大，当其超出承载力时，基础或墩柱将发生破坏，从而导致主梁整体倾覆。此类倾覆稳定性主要依赖于基础和中墩的受力特性，其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，可采用公路规范的荷载组合及相应验算内容。中墩铰接的独柱单支承上部结构(直线桥)在偏心荷载作用下，边支座可能出现脱空现象，导致上部结构体系发生转换，随荷载增加，桥梁将无法再次达到平衡状态，从而发生上部结构整体倾覆。其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时间即发生整体倾覆破坏。中墩铰接的独柱单支承上部结构(曲线桥)在偏心荷载作用下，边支座首先出现脱空，从而结构主梁支承体系发生变化，随着荷载增加，结构旋转轴发生转变，形成新的平衡状态，当荷载增量导致不能再次达到平衡状态，或因中墩支座破坏导致结构构件出现强度破坏时，桥梁将发生整体倾覆，一般情况下，中墩支座破坏较早发生。

3 独柱单支承梁式桥倾覆稳定性计算方法

3.1 验算荷载工况

工况一：公路—Ⅰ级车道荷载；工况二：1.3倍公路—Ⅰ级车道荷载；工况三：规范55 t车辆荷载，车队纵向两车前后轴的轴距为10 m，即车队纵向两车的中心距为22.8 m；工况四：1.3倍工况三荷载。

3.2 桥梁上部结构抗倾覆验算方法

独柱单支承上部结构在验算桥梁整体抗倾覆稳定性时，需验算在汽车荷载偏载情况下桥梁支座是否发生脱空情况。

JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范中9.7.4条中只有禁止支座脱空的描述，并没有对上部结构倾覆稳定性的相关规定。

JTG D62-2012公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范征求意见稿4.1.9条规定：

独柱单支承结构梁桥应进行上部结构抗倾覆验算。且抗倾覆稳定系数应满足如下要求：

γqf=Sbk/Ssk≥2.5。

其中，γqf为抗倾覆稳定系数；Sbk为上部结构倾覆的汽车荷载标准值效应(含冲击作用)；Ssk为上部结构稳定的作用效应标准组合。根据结构倾覆不先于设计汽车荷载、实际运营汽车荷载与结构延性破坏的相互关系，明确独柱单支承上部结构的桥梁抗倾覆系数不应小于2.5。在独柱单支承上部结构倾覆过程分析中，倾覆的初期是桥台支座脱空，此时结构体系会发生变化，甚至会使结构变化为机动体系，因此在作用标准值组合下不应出现支座脱空(汽车荷载考虑冲击作用)。

4 应用算例

4.1 设计概况

阿房宫互通式立交为西安绕城高速公路与西宝高速西安至兴平段交叉所设枢纽立交。立交H匝道承担绕城高速上西宝高速宝鸡方向的车辆通行，路基宽度12 m，设计速度40 km/h。

H匝道桥第三联采用现浇箱梁上跨F匝道，夹角仅为31°，为减小跨径，将中墩设置为独柱墩，分隔墩为双柱墩，平面位于缓和曲线上，需要进行抗倾覆验算。

支座平面布置图见图1，平面布置图见图2。

4.2 计算模型

采用空间有限元程序MIDAS/Civil2010进行验算，依据剪力—柔性梁格理论建立空间梁格模型，计算模型简图如图3所示。

4.3 箱梁抗倾覆验算

通过MIDAS程序计算得出支座恒载反力和活载不同工况下的最大、最小反力，并对支座反力进行组合，验算支座在最小反力组合下是否出现负反力即脱空现象。

4.3.1 冲击系数的计算

该联桥的基频为4.33 Hz，根据公式μ=0.176 7lnf-0.015 7，计算得出冲击系数为0.243。

4.3.2 抗倾覆稳定系数计算

经计算，各工况作用下桥梁倾覆系数如表1所示。

表1 各工况作用下桥梁倾覆系数

4.4 验算结果

1)根据恒载和汽车荷载的计算结果，该联桥的支座在四种工况作用标准值组合下均未产生负反力，不会发生支座脱空的现象。2)该联桥在四种工况下抗倾覆稳定系数均远远大于2.5，满足上部结构抗倾覆稳定的要求。

5 结语

独柱墩单支撑梁式桥外形简洁轻巧、桥下占用空间小，桥梁整体美观。但此桥梁结构的整体稳定性较差，上部结构易发生整体倾覆。桥梁倾覆破坏类似于脆性破坏，一旦发生，破坏严重，且会产生特别恶劣的社会影响。因此，此类桥梁上部结构倾覆稳定性的计算应引起相关从业人员的高度重视。

[1] 梁 峰.三跨独柱连续梁桥抗倾覆能力研究[J].公路，2009,10(10)：40-43.

[2] 占玉林，赵人达.连续弯梁桥特性分析[J].四川建筑，2004(2)：42-43.

The checking analysis and application of anti overturning stability of single column single support upper structure

HUO Jun-hui SUN Hai-xia

(Shannxi Communications Planning and Design Institute, Xi’an 710075, China)

According to the structural stress characteristics, analysis of single column single support beam bridge overturning failure characteristics, determined the calculation method is suitable for calculation of single column supported beam bridge of overturning stability, and combining with the example, made stability evaluation to a single column single support cast-in-place girder bridge, design and repair for the similar bridge reinforcement reference.

single column, single support, antioverturning, stability, checking analysis

1009-6825(2014)31-0065-02

2014-08-28

霍军会(1982- )，男，工程师； 孙海霞(1982- )，女，工程师

TU311.2

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