基于抗倾覆稳定性分析的桥梁结构设计研究

摘要：探究影响桥梁上部结构横桥向抗倾覆稳定性的主要因素，主要有偏心汽车荷载、横向支座间距、桥梁边中跨跨径比、桥梁平曲线半径、支座类型等方法；对桥梁上部结构横桥向倾覆失稳模态和抗倾覆稳定性计算原理进行深入的剖析，进而提出增大横桥向支座间距、优化桥梁孔跨布置、优化桥梁平曲线半径、控制汽车荷载分布等提高桥梁抗倾覆稳定性的具体措施，对保证桥梁上部结构抗倾覆稳定性、安全性与可靠性有重大意义。

关键词：桥梁抗倾覆稳定性偏心汽车荷载支座间距边中跨跨径比平曲线半径

中图分类号：U448

ResearchonBridgeStructuralDesignBasedonAnti-OverturningStabilityAnalysis

LIGuozhen

ShaanxiNewXishangEngineeringTechnologyCo.，Ltd.，Xi'an，ShaanxiProvince，710000China

Abstract：Inthisarticle，themainfactorsaffectingthetransverseanti-overturningstabilityofthebridgesuperstructureareexplored，mainlyincludingeccentricvehicleload，transversesupportspacing，bridgeside-to-mainspanratio，bridgehorizontalcurveradius，andsupporttype.Itanalyzestheinstabilitymodeandanti-overturningstabilitycalculationprincipleofthetransversebridgesuperstructure，andthenproposesspecificmeasurestoimprovetheanti-overturningstabilityofthebridge，suchasincreasingthespacingofthetransversebridgesupports，optimizingthelayoutofthebridgeholespan，optimizingthebridgehorizontalcurveradius，andcontrollingtheloaddistributionofautomobiles，whichisofgreatsignificancetoensuretheanti-overturningstability，safetyandreliabilityofthebridgesuperstructure.

KeyWords：Bridgeanti-overturningstability;Eccentricvehicleload;Supportspacing;Side-to-mainspanratio;Horizontalcurveradius

桥梁作为交通基础设施的重要组成部分，它的安全稳定与否直接影响着社会经济发展、交通畅通以及人们的生命财产安全。桥梁抗倾覆稳定性问题是桥梁结构设计的重点问题，本文的研究目的在于通过对桥梁抗倾覆稳定性的基本原理进行分析，进而提出提高桥梁抗倾覆稳定性的有效方法，从而保证桥梁的稳定、安全、可靠。

1桥梁抗倾覆稳定性对桥梁结构安全的重要性

近年来，随着高速公路、铁路等基础设施建设领域的高速发展，我国已建成了十分庞大的、完备的陆路交通网运输体系，为促进国家社会经济发展、方便人们的出行提供有力支持。然而，在发展过程中也出现了一些因交通设施失效而导致的安全事故，特别是自2007年以来，内蒙古包头、天津、浙江上虞、黑龙江哈尔滨和广东河源等地相继发生桥梁横桥向倾覆失稳直至垮塌的重大安全事故。对国家经济发展、人们的生命财产安全造成十分严重的后果，也产生了十分严重的社会影响。

桥梁抗倾覆稳定性对于桥梁结构安全具有至关重要的意义，是保证桥梁结构在极端荷载工况下保持稳定、安全运营的关键因素。一方面，桥梁的抗倾覆稳定性为桥梁结构安全提供了基本保证；另一方面，桥梁抗倾覆稳定性在桥梁设计中也是结构承载能力极限状态验算的一大重点内容[1]。在对桥梁进行设计时，需要对其抗倾覆能力进行充分考虑，以保证其在极端荷载工况下的稳定性。这就要求对桥梁抗倾覆稳定性的原理、影响因素进行充分研究，进而拟定有效的设计方案，从而提升桥梁抗倾覆稳定性以及安全性。

2桥梁抗倾覆稳定性分析的基本原理

2.1破坏过程分析

通过对多个桥梁上部结构抗倾覆破坏案例进行分析，事故桥梁的基本特征（如图1所示）为：上部结构采用整体式箱梁；结构体系为连续梁，上部结构横桥向由单向受压支座支承；桥台或过渡墩横桥向采用双支座或三支座，中跨桥墩全部或部分采用单支座。

特大桥发生灾变时，其主要特征是：单侧承载力超过了常规受压条件，支撑系统对上侧的支撑系统失去了对上侧的有效控制，导致了上部结构的扭曲变形和横向失稳。具体如图2所示。

2.2破坏机理分析

桥梁上部结构横桥向翻转具有两种典型的特点：在特征状态1下，单侧承载力下的箱形梁从受压端脱落；在特殊状态2下，箱形梁的扭转支撑完全破坏；根据国外有关规程的规定，以此两种特性值为结构的抗倾覆校核条件。

（1）对于结构特性1，在各构件的共同工作条件下，各构件的单侧承载力均为承压。

（2）在一座桥上，一对双支座共同组成了一种抗扭支撑，对弯矩和扭振进行了双限制。但在偏心汽车荷载作用下双支座中远离偏心汽车荷载的一个支座竖向压力变为零、脱空失效后，靠近偏心汽车荷载的另外一侧的有效支承只能对车辆的转矩进行限制，而不能限制扭转的变形。在跨中桥向的扭撑完全破坏后，该结构已进入受力均衡或扭曲破坏的极限状态，也就是所谓的“特征状态”。对特征状态2，横向倾覆验算，应用“稳定效果=稳定系数×不稳定效果”公式[2]。

2.3计算方法

桥梁处于特征状态2时，纵桥向各个桥墩都存在一个有效支座。稳定效应和失稳效应按照失效支座对有效支座的力矩进行计算。

式（1）、式（2）中：为第i个桥墩处失效支座与有效支座的支座中心间距；为在永久性荷载下，对第i号墩破坏的支撑力，按照所有支撑系统的实际情况进行了分析，并将其作为标准值的综合数值oatsBT15xXQwVCOnJT3/9++QzNZha+eoFk8ztO5eG+s=；为对于不同的荷载，第i个墩的破坏支撑的支撑力，按照所有支撑系统的实际情况进行了分析，并将其作为标准值进行综合考虑；根据每一破坏节点相应的最不利布局方式确定车辆（计及碰撞）的影响。

3抗倾覆稳定性的影响因素

3.1偏心汽车荷载

影响桥梁抗倾覆稳定性的因素中，偏心汽车荷载是起决定性作用的外荷载因素。偏心汽车荷载是按最不利布载原则将汽车荷载布置在曲线外侧的偏载线上，进而计算由活荷载标准组合下的支座反力，从而确定抗倾覆稳定计算中的倾覆力矩效应值。这种不对称荷载分布使结构受到扭矩与弯曲效应的影响，从而导致了结构倾覆风险。偏心汽车荷载的大小、方向及位置均能显著影响桥梁抗倾覆稳定性。在偏心汽车荷载较大时结构需承受更大扭矩及弯曲力矩，会造成结构抗倾覆稳定性下降甚至失稳[3]。同时，偏心汽车荷载方向与位置还会对结构受力分布与传力路径产生影响，从而对结构整体稳定性产生影响。

3.2横桥向支座间距

桥台或过渡墩处横桥向设置双支座，而横桥向两个支座之间的间距大小是影响桥梁抗倾覆稳定性的重要因素。在桥梁宽度一定的情况下，将偏心汽车荷载布置在两个支座的外侧时，可能使远离偏心汽车荷载一侧的支座压力消失而脱空失效，而当偏心汽车荷载作用在横桥向两个支座之间就大大降低了远离偏心汽车荷载一侧支座脱空失效的风险，从而提高桥梁抗倾覆稳定性。

3.3桥梁边中跨跨径比

连续桥梁上部结构边中跨跨径比对一联内纵向支座反力的影响较大，当桥梁边中跨跨径比较小时，边跨支座在恒载作用下压力较小，在横桥向偏心汽车荷载作用下，远离偏心汽车荷载一侧的支座更容易脱空失效，导致桥梁抗倾覆稳定性下降。当桥梁边中跨跨径比增加时，边跨支座所受压力逐渐增加，在恒载与偏心汽车荷载作用下支座脱空失效的可能性降低，桥梁上部结构抗倾覆稳定性逐渐增强[4]。因此，在合理范围内增大边中跨跨径比可以提高桥梁横向抗倾覆稳定性。

3.4桥梁平曲线半径

曲线桥梁由于其本身“外梁加载、内梁卸载”的力学特性，在预应力荷载的作用下，上部结构端部扭转弯矩较大，加剧了横桥向内外侧支座反力不均匀分布的问题，甚至使得桥梁在恒载作用下内侧支座就已经出现脱空失效的现象，在偏心汽车荷载作用下，更是加剧了边跨内侧支座脱空的程度，进而引发上部结构抗倾覆稳定问题。

4提高桥梁抗倾覆稳定性的具体措施

4.1增大横桥向支座间距

在桥梁宽度一定的情况，采用在梁端设置端横梁的方式，尽量增大横桥向两个支座之间的距离，以达到在减小偏心汽车荷载倾覆力矩偏心距的同时增大恒载抗倾覆力矩偏心距的效果，甚至使偏心汽车荷载作用于横桥向两支座之间降低横桥向远离偏心汽车荷载侧支座脱空失效的可能，进而提高桥梁抗倾覆稳定性。

4.2优化桥梁孔跨布置

在进行桥梁孔跨布置时，在客观条件允许的情况下尽量优化桥梁边中跨跨径比，以使桥梁边跨支座在恒载作用下获得较大的支座反力，以减缓在偏心汽车荷载作用下远离偏心汽车荷载一侧的支座脱空失效的可能，甚至保证其仍处于受压状态，以提高桥梁抗倾覆稳定性。

4.3优化桥梁平曲线半径

路线平曲线设计时，尽量优化桥梁平曲线线形，减缓曲线桥梁“外梁加载、内梁卸载”的力学特性，进而减轻横桥向内外侧支座反力不均匀分布的问题，尽量使曲线内侧支座在恒载及偏心汽车荷载作用下不出现脱空失效，从而提高桥梁抗倾覆稳定性。

4.4控制汽车荷载分布

在桥梁抗倾覆稳定性分析中，偏心汽车荷载是导致桥梁上部结构发生横桥向倾覆失稳的最根本外部原因。因此，在改善桥梁抗倾覆稳定性能时，对汽车荷载分布的控制不仅与桥梁结构设计有关，也与车辆过桥方式及规范管理有关。桥梁正常运营期间，通过有效的管理可减小桥梁实际承受的偏心荷载大小与偏心距，以降低桥梁倾覆风险[5]。在这个过程中，关键点是确保汽车荷载在横桥向的分布是均衡的，避免过重的车辆在桥梁上沿一条边车道过度集中，导致实际偏心荷载和偏心距过大。

5结语

总之，桥梁抗倾覆稳定性问题是桥梁工程面临的一个重要课题，需考虑诸多因素，采取适当的解决方法。通过增大横桥向支座间距、优化桥梁孔跨布置、优化桥梁平曲线半径、控制汽车荷载分布等方法，可以有效提高桥梁抗倾覆稳定性并保证桥梁安全可靠。在今后的桥梁工程设计工作中，应始终如一地重视桥梁抗倾覆稳定性验算及研究工作，不断探索更多先进高效的提高抗倾覆稳定性的措施，从而为桥梁安全运营及长期服役提供强有力的保障。

参考文献

[1] 凌冬，刘耀凤.独柱墩曲线梁桥抗倾覆设计的探讨[J].公路，2023，68（10）：187-192.

[2] 张先亮，张著文，徐耀耀.独柱墩曲线钢箱梁桥抗倾覆稳定性分析[J].山西建筑，2023，49（13）：160-163，187.

[3] 汪浩京，赵启林，刘为平，等.92mFRP-金属组合轻量化应急桥稳定性分析[J].工业建筑，2023，53（S1）：690-694.

[4] 马玉荣，陈海波，吕改锋，等.独柱墩桥梁上部结构抗倾覆稳定性分析[J].太原科技大学学报，2019，40（4）：316-322.

[5] 魏霞，曹猛.独柱墩弯桥抗倾覆稳定性分析[J].公路交通科技（应用技术版），2018，14（5）：236-237，270.