公路与城市道路桥梁抗倾覆设计研究

肖垚

青岛市市政工程设计研究院有限责任公司 山东 青岛 266000

引言

现阶段公路与城市道路桥梁在为社会生产与居民生活提供便利的同时，倾覆问题也是必须面对的问题。尤其是在当下超载、重载现象频发的背景之下，倾覆问题的发生概率也在不断提高，是影响我国交通运输安全的主要因素之一，将会造成重大的经济损失，引发相当恶劣的社会影响。因此，想要尽可能避免公路与城市道路桥梁出现倾覆问题，除了要加强对超载重载问题的管理，还需要优化公路与城市道路桥梁的抗倾覆设计，提升其本身的抗倾覆性能。

1 公路与城市道路桥梁倾覆的机理分析

公路与城市道路桥梁的倾覆实际上是桥梁结构的横向刚体转动[1]，而引发公路与城市道路桥梁倾覆的主要原因可以划分为内因与外因两大类，内因是倾覆现象产生的主导原因，而外因则是外部环境带来的，倾覆现象的诱发因素。

内因主要集中在构造设计方面，构造的不合理就会引发道路桥梁在极端荷载的情况下满足出现横向转动的要求，导致倾覆现象的产生。在现阶段对公路与城市道路桥梁的设计过程中，设计的重点主要集中在对竖向平面的抗弯抗剪性能需求的满足上，横向平面对稳定性的需求时常处于被忽略的状态，因此针对横向支撑的设计也往往处于缺失的状态。在现阶段广泛采用的独柱墩道路桥梁设计形式中，表现道路桥梁横向稳定性的倾覆轴即是端横梁在外侧支座的连线，因此，端横梁外侧支座位置的排布会直接影响到直线型桥梁的倾覆稳定性，而曲线型桥梁则会因为弯扭耦合效应导致支座脱空问题的产生，提升桥梁的倾覆风险。总而言之，在设计层面影响公路与城市道路桥梁抗倾覆性能的内因，主要是端横梁支座的排布以及支撑形式。而公路与城市道路桥梁出现倾覆现象的外因，主要是车辆带来的荷载，一方面是道路桥梁上车辆的行驶位置，如果全部集中在外侧车道，则会导致桥梁整体受力失衡，提升倾覆的风险；另一方面，道路桥梁上行驶的车辆一旦出现超载与重载现象，也会对道路桥梁的稳定性提出挑战。

根据对上述公路与城市道路桥梁倾覆机理的分析，可以总结出描述道路桥梁倾覆可能性的系数，也就是抵抗弯矩与倾覆弯矩之间的比值。而通过这一系数的推导过程，不难发现公路与城市道路桥梁的抗倾覆性能实际上取决于抵抗弯矩与倾覆弯矩之间的拉扯。抵抗弯矩指的是道路桥梁梁体在自重作用下对倾覆轴产生的稳定力矩，而倾覆弯矩则是在道路桥梁路面车辆荷载作用下产生的桥梁向倾覆侧的弯矩和。上述的倾覆系数实际上是对极限倾覆状态的描述，而现实生活中道路桥梁的倾覆是从正常状态向倾覆状态的累计发展过程，因此通常将2作为倾覆系数的理论最小值，以保证道路桥梁的稳定性。

2 公路与城市道路桥梁抗倾覆性能的影响要素

2.1 道路桥梁基本参数

公路与城市道路桥梁的线形、结构形式与支撑方式是影响道路桥梁抗倾覆性能以及稳定性的共通要素[2]。根据以往的道路桥梁设计与建设经验，直线型桥梁以及曲率半径较大的曲线桥梁有着更高的倾覆概率；而从支撑方式来看，倾覆事故大多发生在中部桥墩由独柱墩支撑的道路桥梁上，往往缺乏顶端加固体系。总而言之，道路桥梁的基本参数会对公路与城市道路桥梁抗倾覆性能产生直接的影响。

2.2 道路桥梁内部受力情况

公路与城市道路桥梁内部的受力情况同样会影响到道路桥梁的抗倾覆性能，因此在对道路桥梁进行抗倾覆设计时，还要考虑到竖向平面的抗弯抗剪性能以及横向的稳定性能。比如，在道路桥梁投入使用之后，在车辆的荷载作用的影响下，如果顶部预应力往往会超过底部的预应力，则桥梁会发生向心方向的扭转，反之则出现离心方向的扭转。除此之外，桥梁内部的温度、混凝土的形变也会导致道路桥梁出现变形、滑移等问题，必须加强管理与控制。

2.3 外部荷载作用

公路与城市道路桥梁抗倾覆性能的影响因素中，外部的荷载是相当重要的一个，具体可以分为荷载量的大小以及荷载位置。事实上，为了避免倾覆事故的发生，相关部门已经在道路桥梁的管理上对荷载进行控制，一方面对荷载量大的重载车辆，规定其行驶车道，另一方面，对超载车辆进行严格管理。这是因为，当超载车辆偏离车道行驶时，就会引发严重的偏载效应，考验道路桥梁的抗倾覆性能。

3 公路与城市道路桥梁抗倾覆设计的优化途径

3.1 加强桥梁角度与平面线形设计

在公路与城市道路桥梁抗倾覆的设计过程中，首先需要完成的就是对桥墩横向宽度等具体数据的确认。公路与道路桥梁参数的确认需要考虑诸多的实际因素，比如桥面宽度与桥墩宽度之间的具体比例与协调性、箱梁的倾覆抗性与稳定性。而且在确定参数的过程中，不能将背景设置为理想的使用环境，还需要充分考虑到极端天气以及车辆超载等不利外部环境，做出对应的限元计算。既要计算在负载恒定的情况下，公路与道路桥梁的稳定效应，以及在超出荷载限制的情况下产生的失稳效应，将表示横向抗倾覆性能的稳定系数保持在2.0以上[3]，并且在达成这一目标的前提下，进一步考虑支座的空间分配，以此确定桥梁角度与桥墩的最小宽度。

而在公路与道路桥梁的平面线形设计上，除了要符合基本的设计原则与路线走向，还需要进行持续的设计优化工作。尤其是对处于立交匝道之上的道路桥梁进行平面线形设计时，要在规范的大前提下充分发挥灵活性；而当桥梁为位于半径相对较小的坡道之上时，就应当选择跨度较小的线形结构。但如果出现道路桥梁的跨越被交叉道路阻隔的情况，跨越的直径无法随意调整，就需要通过优化路线线形的方式解决，同时提升曲线半径，提升道路桥梁的整体稳定性。

3.2 增设墩柱或钢支撑结构

想要保证公路与道路桥梁的稳定性，优化其抗倾覆设计，提升公路与道路桥梁的抗倾覆性能，就需要加强对桥墩支座的处理，可以在原本的桥梁结构中增设墩柱或钢支撑结构。

增设墩柱与钢结构是针对独柱道路桥梁的主要加固方式，具体方法就是在桥墩下方的支撑部位植入数量与密度经过精确计算的钢筋，在桥墩与主梁之间起到连接作用，让桥墩与主梁形成受力整体。从而提供更强的支撑性，将原本简单的单柱墩台结构改造成在应力与稳定性方面都更加优秀的独柱墩、多支座结构。增设墩柱或钢支撑结构的公路与道路桥梁设计优化方法也有其适用范围，与公路下方无承台或公路与道路桥梁结构表面平整度不佳的情况有着更高的契合度与实际表现。通过增设钢结构的方式对道路桥梁进行改造，能够增强支墩与桥梁主梁之间的连接性，起到提升桥梁承载力的加固作用，进一步完善抗倾覆性能。

3.3 以双支撑结构取代单支座

虽然可以在独柱墩、单支座的道路桥梁结构基础之上，通过增设墩柱与钢结构的方式提升其抗倾覆性能，但是独柱墩、单支座结构仍然存在其劣势，那就是倾覆轴内部的车辆对道路桥梁会产生过大的荷载作用面积，提升道路桥梁失稳倾覆的风险。因此在对公路与城市道路桥梁进行抗倾覆设计时，可以考虑以双支撑体系取代单支座，这一优化方式的优势在于能够有效提升道路桥梁主梁的抗扭能力，提升其对横向倾覆的抗性。但在利用双支撑结构取代单支座时，必须通过演算保障横隔梁的稳定性与安全性，也需要对横隔梁进行配套加固，并对施工工序与施工量做出预估。

而将公路与道路桥梁由单支座改造为双支撑体系，盖梁位置就需要具有与双支撑结构相匹配的空间，那么在进行设计时就会面对两种基本情况。第一种是盖梁的尺寸与空间本身就相对较大，足够支持双支撑结构的设置，那么在施工上的难度也相应降低，可以通过升顶的施工方法，将道路桥梁盖梁的梁体直接顶升，切除原有单支座并设置双支撑结构。而如果道路桥梁原本的独柱墩盖梁在空间上相对局限，无法支持双支撑结构的设置，则需要转变加固思路，对原有盖梁进行横向加固，增大盖梁的受力面积。

3.4 更新独柱墩固结方式

在公路与道路桥梁的抗倾覆设计过程中，独柱墩与主梁结构之间通常采用固结的方式进行连接，这种连接方式的优势在于能够显著提升桥梁墩柱的稳定性，也减少了主梁的自由形变性能[4]。一旦柱墩与主梁之间的固结支座发生形变，不仅形变曲线变化幅度大，难以保证稳定性，而且主梁也会发生位移，倾覆抗性也随之降低，因此需要更新独柱墩固结方式。如果将固结位置改为道路桥梁墩柱底端，就能在很大程度上分担桥梁主梁的受力，减少墩柱底部的受力弯矩，不仅形变曲线变化幅度小，而且对桥梁总体稳定性的负面影响也将降低，提升道路桥梁的抗倾覆性能。

3.5 额外设置抗拉支撑结构

一般情况下，公路与道路桥梁发生倾覆的第一环节就是支座脱空，因此想要通过优化公路与道路桥梁抗倾覆设计的方式提升公路与道路桥梁的抗倾覆性能，就需要对这一问题做出针对性地应对与解决。因此可以在道路桥梁的制作部分额外设置抗拉支撑结构，抗拉支撑结构的作用是加强对道路桥梁梁体的约束力，避免其在车辆造成的重载与偏载作用下产生扭转，进而减少支座脱空现象引发的受力结构变化。抗拉支撑结构的设置既可以在上下垂直方向，也可以在支座与梁体的承接处进行侧面加固，提供额外的支撑力。

由于抗拉支撑结构的施工对公路与道路桥梁的影响相对较小，同时可以在墩柱与梁体上分别进行施工，通过延伸出的支撑结构连接墩柱与梁体，因此不影响桥梁本身的运营与使用，同时有效预防支座脱空问题。但抗拉支撑结构同样有其局限性，由于抗拉支撑结构主要采用锚固的方式进行连接，因此抗拉支座的强度有限，通常使用在支座反力较小的道路桥梁。

3.6 扩大端横梁支座间距

根据公路与城市道路桥梁的倾覆机理，倾覆轴通常是由端横梁最外侧支座连线组成的概念线条，因此端横梁支座位置的排布会直接影响到允许车辆通行的桥面空间的大小。如果端横梁支座的排布相对接近外侧，则倾覆区域就会相对缩小，桥梁的安全性也就得到提升，因此在对公路与城市道路桥梁抗倾覆设计进行优化时，应当扩大端横梁支座间距。

在扩大端横梁支座间距时，可以依照已经设计好的盖梁尺寸，计算出最大的支座间距，并形成相应的支座布置方案，同时配合扩张横向截面的方式进行进一步加固。这一设计优化思路更适用于宽幅箱梁结构的道路桥梁，能够提升梁体的抗倾覆性能，且在工作量方面有较大优势，施工范围与施工量都相对较小，且集中在端横梁区域。缺陷在于施工难度相较其他优化思路可能更大，需要接长端横梁，植筋难度相对较大，且需要对支点处横梁进行加固验算。

4 结束语

综上所述，公路与城市道路桥梁倾覆的产生原因分为内因和外因，内因主要是构造设计不合理，外因则主要是车辆带来的荷载。因此，公路与城市道路桥梁抗倾覆性能的影响要素包括道路桥梁基本参数、道路桥梁内部受力情况以及外部荷载作用。想要提升公路与城市道路桥梁的抗倾覆性能，就需要优化其抗倾覆设计，加强桥梁角度与平面线形设计，增设墩柱或钢支撑结构，以双支撑结构取代单支座，更新独柱墩固结方式，额外设置抗拉支撑结构，扩大端横梁支座间距。