独柱墩梁桥抗倾覆稳定性验算汽车荷载研究

赵俊程，禹智涛，刘铭炜

（广东工业大学，广东 广州 510006）

独柱墩梁桥抗倾覆稳定性验算汽车荷载研究

赵俊程，禹智涛，刘铭炜

（广东工业大学，广东 广州 510006）

为了彻查广东省高速公路既有独柱墩梁桥抗倾覆稳定性问题，为新建独柱墩桥梁提供设计依据，对该类桥梁的抗倾覆稳定性验算汽车荷载进行研究。根据广东省交通集团货车调查分析成果，虎门二桥荷载统计报告，同济大学对上海市车辆荷载研究成果，得出广东省现状汽车荷载模式。通过实例有限元分析对比，得出《公路桥涵设计通用规范》（JTD D60－2015）中规定的汽车荷载在验算该类桥梁倾覆时，偏不安全，且随着联长的增长，安全度降低。发现该类桥梁的汽车荷载产生的倾覆效应与其荷载总量有近似比例关系，与其荷载模式关系不大，并提出以公路-1级汽车荷载乘以3.4倍的分项系数为验算汽车荷载。

独柱墩梁桥；倾覆效应；抗倾覆稳定性验算；汽车荷载；车道荷载；车辆荷载

0 引言

近年来，国内出现了多起独柱墩梁桥倾覆事故，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。事故发生后，往往伴随着媒体、大众对桥梁生产者和管理者的质疑和声讨，造成了及其恶劣的社会影响。桥梁设计者普遍认为在以后的设计中尽量避免采用独柱支撑梁桥，但是独柱墩梁桥具有结构轻巧、简洁流畅、造型美观，桥下通透性好、视野开阔，占地量小，下部工程量小，施工方便等诸多优点，尤其在受到地形、地物限制的情况下，往往成了唯一选择的桥型[1]。为了严防此类事件再次发生和对既有桥梁抗倾覆稳定性评估，广大科研工作者需要对独柱墩梁桥的抗倾覆稳定性作系统全面的研究，找出事故发生的机理和预防措施。

综观近年来已发生的桥梁倾覆事故，超载是最重要的原因之一[2]。目前虽然已实行计重收费，但并未能全面禁止超载车辆通行。少数桥梁虽能满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTGD62-2012（征求意见稿）的条文规定，但仍发生了倾覆事故，为保障桥梁安全运行，统一验算要求，本文总结了广东省交通集团货车调查分析成果，虎门二桥荷载统计报告，同济大学对上海市车辆荷载研究成果，通过实例有限元分析对比，得出《公路桥涵设计通用规范》（JTD D60－2015）中规定的汽车荷载在验算桥梁倾覆时的局限性，并提出适用于验算该类桥梁倾覆的汽车荷载模式。

1 国内部分省市现状车辆荷载调查

1.1 广东省交通集团货车调查分析[3]

广东省内高速日均重车统计，见表1。

表1 广东省内高速日均重车统计表

调查数据显示，全计重收费后，重车比例下降较多，但数量仍不可忽视。可见，若采用公路1级进行抗倾覆验算，难以考虑120 t重车的影响，可能得出偏不安全的结果。因此抗倾覆验算时，需对荷载模式进行研究

1.2 虎门二桥荷载统计报告结果

通过对四个调查点的实时车辆荷载数据进行概率统计分析，得出了95%保证率的车辆荷载标准模型，并结合项目所在区域的采集到的最大重车，建立了虎门二桥现状汽车荷载模型车道荷载、车队荷载和车辆荷载分别见图1～图3[4]。

图1 现状车道荷载

图2 现状车队荷载

图3 现状车辆荷载

根据现状汽车荷载，得出设计荷载标准建议值[5]，见表2。

表2 荷载标准建议值

对于联长75 m左右中小跨径桥梁，折算均布荷载值约为27.5 kN/m（一辆重车3辆标准车）[6]。相当于规范公路Ⅰ级车道荷载的2.5倍。

1.3 同济大学对上海市车辆荷载研究成果

上海绕城高速车辆荷载模型，见图4。

图4 现状车辆荷载

当跨径小于5 m时，Pk=600 kN，跨径大于50 m时Pk=1200kN,桥梁计算跨径在5～50 m之间时Pk按照直线内插求得。相当于规范公路Ⅰ级车道荷载的3.4倍。

2.4 近年来国内倾覆事故发生时桥上汽车荷载统计

国内倾覆事故荷载统计见表3。

表3 国内倾覆事故荷载统计

由上述事故荷载可见，事故车辆单车重一般在1 200 kN左右，且事故车辆密集排列。若按标准车重 1 200 kN，轴重 F1=52 kN,F2=209 kN, F3=243 kN。排列方式，见图5。

图5 重车车队荷载

车辆长16.5 m,净间距8 m。对于中小跨径桥梁，一列重车车队荷载相当于15公路桥梁规范车道荷载的3～4倍。

2 验算汽车荷载与规范汽车荷载的倾覆效应对比分析

2.1 三种汽车荷载定义

（1）公路89规范汽车－超20级荷载[7]。该汽车荷载以汽车车队表示，纵向布置见图6，车轮横向间距为1.8 m，考虑冲击系数。

图6 公路89规范汽车-超20级荷载

（2）公路15规范的公路－Ⅰ级车道荷载[8]。该汽车荷载由均布荷载qk和集中荷载Pk组成见图7，其中均布荷载标准值为qk=10.5 kN/m，集中荷载标准值按以下规定选取：桥梁计算跨径不大于5 m时，Pk=270 kN；桥梁计算跨径不小于50 m时，Pk=360 kN；桥梁计算跨径在5～50 m时，Pk值采用线性内插求得，集中荷载、均布荷载均考虑冲击系数。

图7 公路15规范公路-Ⅰ级车道荷载

（3）参考第3节资料分析，广东省现状车辆荷载相当于规范公路Ⅰ级车道荷载的3～4倍，建议公路独柱墩梁桥抗倾覆稳定性验算汽车荷载取3.4倍的公路-1级车道荷载（以下简称验算汽车荷载）[9]。

2.2 三种汽车荷载引起的桥梁倾覆效应

根据对广东省内450联独柱墩梁桥的调查统计[3]，取4个具有代表性的预应力混凝土桥梁结构进行倾覆效应分析。模型1:20 m+25 m+20 m直线桥；模型2：20 m+25 m+20 m曲线桥（曲线半径r=210 m）；模型3：25 m+35 m+35 m+25 m直线桥；模型4：25 m+35 m+3 5m+25 m曲线桥（曲线半径r=210 m）4座模型桥梁均宽10 m，边支撑间距为5 m，中支撑均采用盆式橡胶支座。

经分析实际发生的独柱墩桥梁倾覆事故的破坏过程，其表现为在偏心荷载作用下，主梁扭转变形，边墩支座脱空，然后出现中墩支座转角超限，结构产生大变形，中墩出现较大的横向水平推力，并随着转角加大而增大，最达到极限强度，桥墩强度破坏，上部结构失去支撑而塌落[10]。取使边墩支座失效时对应的汽车荷载最不利布置形式，为最不利工况[11]。该工况时各规范汽车荷载和验算汽车荷载情况见图8。确定各桥墩处失效支座的可变作用支反力对该桥墩有效支座中心的力矩之和为各汽车荷载倾覆效应的比较项目。最不利工况下各汽车荷载产生的梁端倾覆力矩情况见图9。

由图8、图9可知：（1）公路89规范和公路15规范的汽车荷载加载总量相当，对于65 m的小跨径独柱墩桥梁，公路89规范荷载总量要大于公路15规范的荷载总量，对于120 m的大跨径独柱墩桥梁则反之。（2）相同联长的独柱墩梁桥，直线桥抗倾覆稳定性较曲线桥差。（3）对比图8（b）、图9（b）可知，以公路15规范为基准，独柱墩梁桥倾覆效应与作用汽车荷载总量成正比例关系。与荷载作用模式关系不大。

图8 最不利工况时各汽车荷载情况

图9 最不利工况时各梁端倾覆力矩情况

3 结论

本文结合相关单位对现状车辆荷载的研究成果，选取广东省内具有代表性的4个座预应力混凝土独柱墩桥梁进行倾覆效应分析。得出以下结论及建议：

（1）目前广东省内高速公路上的汽车荷载普遍大于公路15规范规定的公路-1级车道荷载，其荷载总量相当于公路-1级车道荷载总量的3～4倍。

（2）用公路-1级车道荷载验算公路独柱墩梁桥的抗倾覆稳定性，安全度不足。

（3）建议在验算公路独柱墩梁桥抗倾覆稳定性时，用公路-1级车道荷载乘以3.4倍的分项系数。

（4）独柱墩桥梁在使用阶段应尽可量避免最不利倾覆工况的出现，避免出现大货车密集靠边排队工况，桥面养护维修时需控制好堆载及施工车辆的靠边停放。养护维修项目有可能影响结构抗倾覆稳定时，需进行结构的抗倾覆稳定性验算，制定相应的维修组织方案与应对措施[12]。

[1]万世成,黄侨.独柱墩连续梁桥偏载下的抗倾覆稳定性研究综述[J].中外公路,2015(4):156-161.

[2]林益恭,王强,舒翔.严重超载下的高速公路桥梁结构承载力状况分析[J].中外公路,2009(4):96-100.

[3]广东省公路勘察规划设计院股份有限公司.独柱墩桥梁横向稳定验算指导原则及处理措施[Z].2015.

[4]许肇峰,王强,刘仰韶.基于WIM的广东省公路桥梁车辆荷载模型研究[J].桥梁建设,2012(6):39-44.

[5]刘能文.桥梁汽车活载特征分析与设计值研究[J].城市道桥与防洪,2012(11):134-139.

[6]党栋.公路桥梁设计荷载及其组合研究[D].陕西西安:长安大学, 2012.

[7]JTJ021-89,公路桥涵设计通用规范[S].

[8]JTG D60-2015,公路桥涵设计通用规范[S].

[9]广东省交通运输厅.广东省公路独柱墩桥梁设计与整治工程指导意见[Z].2015.

[10]彭卫兵,潘若丹,马俊,等.独柱墩梁桥倾覆破坏模式与计算方法研究[J].桥梁建设,2016(2):25-30.

[11]董学智.城市独柱墩曲线梁桥抗倾覆稳定性分析[D].广东广州:广东工业大学,2015.

[12]李盼到,徐艳玲,栗勇,等.独柱支承梁式桥倾覆稳定安全系数及抗倾覆措施研究[Z].2013.

U441+.2

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1009-7716（2017）04-0205-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.060

2017-02-08

赵俊程（1990-），男，河南驻马店人，在读研究生，从事土木与交通工程研究工作。