基于新版《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的桥梁抗倾覆设计分析

李贵峰

(天津市市政工程设计研究院， 天津 300457)

0 引言

近年来，在我国发生桥梁横向整体倾覆的事故屡见不鲜.事故一旦发生，不仅威胁着人们的生命财产安全，甚至对经济、社会和环境造成恶劣的影响.例如，内蒙古包头、天津、浙江上虞、黑龙江哈尔滨和广东河源相继发生桥梁箱体横向倾覆失稳直至垮塌的事故案例.这些事故案例中，都有着相同或类似的特征：采用整体式箱梁，结构体系为连续梁，上部结构有单向受压支座支承；桥台或过渡墩采用双支座或三支座，跨中桥墩全部或部分采用单支座〔1-8〕.为此，我国学者进行了一系列的相关研究，并颁布了新版《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG 3362-2018，以下简称新《桥规》.至此，我国公路或城市相关规范对桥梁整体抗倾覆设计首次有了明文规定.

1 桥梁倾覆破坏特征及验算工况

桥梁倾覆过程一般表现为单向受压支座脱离正常受压状态，上部结构支承体系不再提供有效约束，上部结构扭转变形趋于发散、横向失稳垮塌，支座下部结构连带损坏〔9〕，这一系列过程发展较快，往往具有突发性，按照现行《工程结构可靠性设计统一标准》(GB50153)的规定，这类的破坏属于承载力极限状态范畴.

根据下述两个特征状态新《桥规》规定：

持久状况下梁桥不应发生结构体系改变，并同时满足：①在作用基本组合作用下，单向受压支座始终保持受压状态；②按作用标准值组合，整体式截面简支梁和连续梁的作用效应应符合：

图1 桥梁典型破坏过程

式中：kqf——横桥向抗倾覆稳定系数，取kqf=2.5

∑Sbk,i——使上部结构稳定的效应设计值

∑Ssk,i——使上部结构失稳的效应设计值

此处应强调一点，新《桥规》中不再提及《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)中“倾覆轴线”的概念，原因是“倾覆轴线”是将梁体假定为理想的刚体，忽略了梁体处于弯剪扭复杂的受力状态、抗扭刚度对倾覆性能的影响〔9，10〕以及倾覆过程中墩台之间的相互作用.新《桥规》提出了有效支座与失效支座的概念，认为各桥墩必然存在一个有效支座，稳定效应及失效效应通过失效支座对有效支座的支反力力矩计算.

2 计算实例

针对新《桥规》的抗倾覆设计，本文采用对某工程中3×30 m预应力混凝土连续箱梁的抗倾覆进行计算，桥梁支座布置形式如下图(曲线梁支座布置原则与下图相同，略)：

图2 3×30 m连续梁全部双支座示意图 图3 3×30 m连续梁中墩连续单支座示意图

根据新《桥规》同一个墩位上必有一个有效支座，因此对于中支点布置一个支座的情况，该支座必定为有效支座；而曲线梁一般情况下均为外弧侧支反力大于内弧侧支反力，因此对于曲线梁外弧侧支座为有效支座，内弧侧支座为失效支座.

本文根据以下三组不同模型参数，考虑了直线桥、不同曲线半径以及不同支座间距条件下的抗倾覆计算：

第一组模型：3×30 m边墩双支座间距S=4 m、中墩单支座，R取直线、300 m、250 m、200 m；

第二组模型：3×30 m中墩边墩均双支座S=4 m，R取直线、300 m、250 m、200 m；

第三组模型：3×30 m直线，支座间距S=4 m、3.5 m、3 m、2.5 m.

3 计算结果分析

模型采用有限元软件Midas/Civil 2019计算，在结果分析中应注意，每组可变荷载引起的反力值应取能够同时发生的反力值.

a.第1组模型结果(表1)

从该组结果中可以发现，随着曲线半径的减小由直线和300 m变至200 m，永久荷载下内弧侧反力也逐渐变小，活载负向反力也逐渐增大，但在该组支座布置情况下，仍然满足新《桥规》基本组合下的支座受压状态，最不利支座反力储备由1033 kN降至854 kN，降幅17%；而整体倾覆稳定系数由10下降至8，降幅20%.

表1 第1组情况下倾覆计算结果

b.第二组模型结果(表2)

本组模型可能的失效支座均为内弧侧支座，变化趋势与第一组模型相同，最不利支座反力储备由1004 kN降至800 kN，降幅20%；而整体倾覆稳定系数由15.1下降至14，降幅7%.

c.第三组模型结果(表3)

本组模型支座间距由4 m变化至2.5 m，边墩支座受压反力储备由1002 kN降至529 kN，降幅53%；而倾覆稳定系数更是从15.1降至6.6，降幅56%，在本文这三种结果中对倾覆计算的影响最大，即增大支座间距是提高倾覆稳定系数的最有效手段.

从这三组模型的横向对比可以发现，同样条件下，直线桥的倾覆稳定系数大于曲线桥，且随着曲线半径的减小，失效支座的受压反力储备减小，倾覆稳定系数减小；支座间距减小，失效支座的受压反力储备减小，倾覆稳定系数减小.

在此处提出一点供大家思考，若按照 “倾覆轴线”的概念：对于直线桥，第一组和第二组模型的倾覆系数应该是基本相同的，而同样条件下的曲线桥将比直线桥更难发生倾覆，这是在新《桥规》未实施前，以往的论文中采用“倾覆轴线”法计算桥梁整体抗倾覆稳定系数得到的结论，即桥梁越弯越不容易倾覆.事实上很多事故案例表明曲线桥更易倾覆，因而“倾覆轴线”法计算桥梁倾覆并不完全适用，新《桥规》的计算方法更接近实际情况.

从第一组与第二组的纵向对比，两组模型的受压支座反力基本相当，但两组的倾覆稳定系数第二组比第一组模型高出50%～75%；说明同样的曲线半径和支座间距条件下，中边墩均为双支座比仅仅边墩双支座中墩单支座的情况抗倾覆能力显著提高，因此在有条件的情况下应尽量采用双支座布置形式.另外，新《桥规》第9.6.9条中增加了支座布置原则要求，特殊条件下必须采用独柱单支座时，应避免采用连续的独柱单支座.因此应尽量避免本算例中图2的支座布置形式，本文仅以该支座布置模型结果总结规律.

表2 第二组情况下倾覆计算结果

表3 第三组情况下倾覆计算结果

图4 第一组、第二组支座反力比较图 图5 第一组、第二组倾覆稳定系数比较图

4 结论

本文以3×30 m的连续箱梁为例，计算了曲线半径，支座布置、支座间距对桥梁倾覆计算的影响，得到以下结论：(1)同样条件下，直线桥的倾覆稳定系数大于曲线桥，且随着弯曲半径的逐步减小，曲线桥抗倾覆稳定系数也逐渐减小；(2)同样条件下，支座间距对桥梁倾覆计算的影响最大，且随着支座间距的增大，倾覆稳定系数显著增大；(3)同样支座间距条件下，均采用双支座布置比采用单支座倾覆稳定系数更大，因此在有条件的情况下应尽量设置多支座，避免仅设置单支座.