城市市政桥梁抗倾覆设计

崔明伟

（郑州市市政工程勘测设计研究院，郑州 450000）

1 引言

市政桥梁倾覆事故的发生，不仅会干扰正常的道路运营、区域民众正常生活，而且会造成生命财产损失。而设计不当是导致城市市政桥梁发生倾覆的主要因素之一，因此，从设计角度入手，分析城市市政桥梁抗倾覆方案具有非常重要的意义。

2 城市市政桥梁的发生倾覆的原理

城市市政桥梁可以划分为独立墩桥梁、双柱墩桥梁、多柱墩桥梁3 种类型，根据平面线形，又可以划分为直线型、曲线型。对于直线型城市市政桥梁，在忽略汽车荷载的情况下，桥梁将在二期荷载、自重对称荷载作用下维持稳定状态，扭转风险较小；对于曲线型城市市政桥梁，因主体曲线性以及受力复杂性，即使在对称荷载作用下扭转风险也较大。比如，因曲线型城市市政桥梁重心与形心不重合，在荷载作用下必然产生扭矩，对主梁受力分布造成影响，促使外侧主梁承受压力向更高水平发展，而内侧主梁承受的压力向更低水平发展。与此同时，外侧支座反力向更高水平发展，内侧支座反力向更低水平发展，两端扭转持续累积，加剧支座受力不均。特别是在我国道路交通量逐渐增加的背景下，交通堵塞路段桥梁不断增加，桥面上大量汽车滞留致使荷载集中分布，主梁荷载最高可以达到常规承受荷载的3 倍以上，加剧了主梁的扭矩变形程度，支座受力也急剧增加。加之不对称自重、车辆荷载、二期荷载的存在，桥梁内侧、外侧竖向形状变化处于不均匀状态，内侧支座承受压力、外侧支座承受拉力，导致脱空情况出现概率较高，最终在主梁扭曲变形、挠曲变形的相互耦合下出现整体桥梁倾覆。

3 影响城市市政桥梁抗倾覆设计的因素

3.1 桥梁外因

3.1.1 自然灾害

近年来，我国自然灾害频发，洪水、台风、泥石流等自然灾害的作用对城市市政桥梁结构的稳定性影响较大。比如，我国台湾南部地区在台风碧丽斯的侵袭下造成河水瞬间上涨，并导致某桥梁基础严重毁坏，整座大桥倾覆断裂[1]。

3.1.2 撞桥、超载

近几年，我国城市市政桥梁交通流量激增，车辆荷载大大增加，加之管理机制不够完善，驾驶者的安全意识薄弱，导致超载现象频发。而频发的汽车超载、撞桥事故极易导致桥梁结构形成疲劳损伤，对桥梁耐久性造成严重的威胁[2]。特别是水路运输中，船舶撞击桥梁结构，会造成巨大的冲击荷载，致使桥梁倾覆。比如，2007 年6 月，广东某桥梁因运沙船舶偏离航道误入非通行航孔并直接撞击桥墩，导致4 孔非通航孔桥面倾覆倒塌。

3.2 桥梁内因

3.2.1 设计施工不合规

在设计中，桥孔布置对桥梁抗倾覆能力具有直接的影响。以一个宽度×弧长为12.0 m×160 m 的市政桥梁为例，将其布置为1 跨简支梁时，倾覆荷载作用范围为1 330 m2，抗倾覆力矩作用范围为586 m2；将其布置为3 跨连续梁时，倾覆荷载作用范围为372 m2，抗倾覆力矩作用范围为1 546 m2。从这些数据可知，由于市政桥梁跨数的增加，倾覆载荷作用范围减小，而抗倾覆力矩范围增加，使桥梁安全性能提升。除此之外，曲率半径、支座布置形式等对城市市政桥梁的抗倾覆能力也有较大的影响。

施工不合规是影响城市市政桥梁抗倾覆性能的主要内部因素，表现为数据核算错误、施工工艺不规范等。特别是在现代城市桥梁结构形式日益多样化的过程中，越来越多的新工艺被应用，但由于缺少对新工艺进行成功应用的先例，导致施工中对新工艺的应用不成熟，支座等结构的位置施工不精确，容易导致桥梁倾覆事故。

3.2.2 桥梁病害

在我国市政桥梁工程的使用过程中，吊杆受损、梁板纵向裂缝、缆索腐蚀等病害不可避免，若上述病害无法及时维护修理，会威胁主体结构，致使主体结构倾覆。

3.2.3 加固拆除不当

在交通量激增进程中，以往桥梁承载力无法满足现有需求，桥梁的加固拆除势在必行。而在桥梁加固拆除阶段，一旦设计施工不当，就会造成桥梁车辆倾覆事故。比如，2001 年长沙市捞刀河镇某桥梁就因加固拆除时施工者先行切断桥梁上部横梁，导致桥梁受力不平衡进而出现桥梁倾覆事故。

4 城市市政桥梁抗倾覆设计的优化对策

4.1 结合项目实况优化加固独柱墩

独柱墩具有占地面积小的特点，但在极端车辆荷载作用下极易出现倾覆事故，极端车辆车况表现为多台严重超载的大型货车在同一时间段短间距行驶在桥梁同一侧同1 条车道。因独柱墩桥梁处于整联工作状态，针对当前已建成并已投入使用的独柱墩桥梁，需要采用3.4 倍的公路I 级荷载进行工况验算[3]。即在横桥向仅布置1 条车道汽车荷载时，横向车道布载系数、汽车荷载效应（最外侧）分项系数分别为1.0、3.4，此时，通过计算桥台支座最小反力、固结墩压弯强度、非固结墩支座转角，可以确定桥梁抗倾覆能力。一般在桥台支座最小反力大于或等于0（上部结构压在桥台支座上）或者固结墩压弯强度符合规范要求（桥梁结构在最不利支座控制下稳定效应、失稳效应比值大于2.5，且失稳效应小于0 时转变为稳定效应）、非固结墩支座转角不大于0.02 rad（1.15°）时，整联的独柱墩桥梁才不会倾覆。而在验算结果不符合上述要求时，应对独柱墩进行加固设计。

常用的独柱墩加固设计方法为增设抗拔销、增设桩基承台、增设钢盖梁、包大立柱等单一或组合方式。增设抗拔销需要在独柱墩桥梁发生倾覆风险较大的一侧盖梁适当位置增设1 对抗拔销，包括构件清洁、位置确定、孔洞钻设、孔洞清洁、注植筋胶、锚栓安装、钢板安装、拉杆安装几个环节，以便在桥梁出现倾覆风险时对桥梁上部结构产生抗倾覆拉力，降低桥梁倾覆风险。在设计时，应明确钻孔直径以及深度，明确标注孔洞钻设深度深于锚筋埋设深度；增设桩基承台主要是针对桥梁固结中墩压弯强度与规范要求差距过大致桥梁承载能力较小的情况，将新桩基增加到拟加固的独立墩单侧，经新增承台将新桩基础、旧桩基础连接为群桩；增设钢盖梁主要是在独立墩立柱上，经钢构件预先制作加工、孔洞钻设、锚栓安装等方式，增设钢盖梁，并通过测量放样、孔洞钻设、孔洞清理、钢混结合面除锈、钢盖梁安装与螺栓紧固、植筋孔注胶及植筋、钢混结合面压力灌浆、制作垫石浇筑与梁底调平块浇筑几个步骤，在钢盖梁上进行支座垫石、支座系统的设置，以多点支撑的桥梁代替单独立柱支撑的桥梁。增设钢盖梁采用工厂预制+现场机械辅助安装的方式，增加原结构自重一般，但质量控制难度较小。部分情况下，为了同步提高桥梁安全系数与外形协调美观度，可以利用增设钢盖梁与增设薄壁墩的组合形式，在承台上植入钢筋、外部包裹以往墩柱，并将部分以往墩柱混凝土凿除，墩柱上则植入连接钢筋；包大立柱主要是在增设桩基承台的基础上，对墩柱外包混凝土，为极端荷载工况下立柱抗弯压能力储备向更高水平发展提供依据，促使桥梁下部结构抗倾覆能力有效增强[4]。除此之外，在单柱墩与桥梁轴线呈90°的情况下，可以增加辅助支撑支座，即挖掘对桥梁既有独立墩承台顶部填土，两侧均设置钢管支顶，制作设置在钢管柱顶部，底部则将其与原有承台植入钢筋相连接。进而在钢管内灌注C40 微膨胀混凝土，并利用钢板套箍，沿横向将新制造钢管墩、原有矩形墩相连接。在这个基础上，针对原有承台开挖导致的道路桥梁边沟损坏情况，依据以往尺寸，利用M 10 浆砌片石进行恢复。通过上述操作，对应位置的单支座箱梁转变为三支座，恒定荷载作用下新增设辅助支座不承受压力，以往单柱墩墩顶支座为主要受力支座。此时，在箱梁扭曲变形最不利位置，新增加的两侧支座就可以提供一定程度的反向作用力，以保证桥墩安全为前提，促使箱梁抗倾覆安全性提高，压缩每联伸缩缝位置支座受力、箱梁扭力。

4.2 明确桥梁抗倾覆设计参数

计算桥梁的横向抗倾覆稳定系数是城市市政桥梁抗倾覆设计的重点，关乎抗倾覆设计效果。常用的横向抗倾覆稳定系数计算方法为倾覆轴计算法，需在JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的基础上进行横向倾覆效应设计值的具体核算。在倾覆轴计算时，需要将作用效应具化为倾覆轴线力矩kqf，计算公式如下：

式中，qk、Pk分别为车道荷载中均匀荷载和车道荷载中集中荷载；μ 为冲击系数；Ω 为倾覆轴线与横向加载车道围护面积；e为横向加载车道与倾覆轴线垂直距离最大值；Xi为各支座与倾覆轴线之间的距离；RGi为成桥状态下各支座支反力。在式（1）中，可以计算不同圆曲线半径桥梁的抗倾覆稳定系数，得出在其他参数一定时的最小支座反力、抗倾覆稳定系数与转弯半径间的关系[5]。进而选择最佳转弯半径，计算联长不同时，桥梁的抗倾覆稳定系数，获得抗倾覆稳定系数较高的联长值。

4.3 有效控制桥宽及端部支座距离比

桥宽及端部支座距离比的有效控制，可以在一定程度上提高桥梁抗倾覆能力。桥宽即桥梁的横向宽度。初步拟定桥横向宽度时，可以综合考虑景观视觉效果视域下的桥宽与墩宽比例的协调性，结合箱梁横向抗倾覆稳定性需求（抗倾覆稳定安全系数＞1.5），进行跨内纵向抗倾覆、横向抗倾覆最不利车辆布载分析，获得恒定荷载与汽车活载作用下的横向支点最小间距。进而依据支座布置空间，确定桥梁最小横向宽度。以某宽度×弧长为12.0 m×160 m 的4 跨连续梁城市市政桥梁为例，其外侧防撞护栏宽度为55.0 cm，汽车荷载车轮中心横向宽度为175.0 cm。且该4 跨连续梁城市市政桥梁倾覆荷载作用面积与桥面总面积之比分别为0.462、0.441、0.426，表明随着桥梁宽度的增加，桥梁抗倾覆能力越弱。因此，在本案例中，设计人员应优先选择数值较小的桥梁宽度，并考虑桥梁悬挑长度（小于2.70 m），在桥梁宽度、抗倾覆能力之间寻求平衡。

端部支座距离比与倾覆力矩力臂成负相关，与支反力影响不大。因此，设计人员可以从提高桥梁抗倾覆稳定系数的角度入手，将桥台支座中心连线，连线后根据桥墩位置抗倾覆力矩、汽车荷载下倾覆力矩的变化规律，增加或减小支座布置间距。即在忽略预应力荷载影响、保持跨径组合以及其他参数一定的情况下，选取一个曲线半径，计算曲线半径下端头支座距离比分别为4.0 m、2.8 m、2.1 m 时的抗倾覆稳定系数、最不利支反力和脱空倾向，选择无脱空倾向、抗倾覆稳定系数最高的端头支座距离比。同时，在城市市政桥梁支座布置时，具有单支座、双支座、多支座等几种形式，单支座具有占地面积小、美观性强、下部结构空间小的优势，但存在抗倾覆能力效果差的缺陷；多支座、双支座具有较强的抗倾覆能力，但下部结构造价较高，且工艺操作历时较长，极易与其他桥梁路线产生冲突。因此，在考虑城市市政桥梁抗倾覆能力的情况下，技术人员应优先选择双支座、双支座+单支座混合形式，即在桥梁中心位置直接布置双支座或者将单支座面向离心侧偏心布置。

5 结语

综上所述，导致城市市政桥梁存在倾覆风险的诸多因素中，设计与施工环节的影响最为突出。因此，设计人员应明确城市市政桥梁抗倾覆设计的重要性，以独柱墩加固为着手点，根据项目实际情况进行恰当优化。同时，进行桥梁抗倾覆设计的科学验算，结合桥梁宽度、桥梁端部支座距离比的有效控制，降低城市市政桥梁的倾覆风险。