某桥上部结构抗倾覆验算
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摘要：汲取独柱式桥梁倾覆事故的教训，结合现行的公路桥涵规范在抗倾覆性能方面的规定与要求，考虑最不利偏载状况下，验算独柱墩桥梁在正常使用状态下的抗倾覆性是否满足要求。
关键词：独柱墩、抗倾覆性能、偏载
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
引言
独柱墩连续梁桥由于其截面形式的流畅、桥面行车顺畅、独柱墩占用桥下空间小、整体结构美观而受到青睐，广泛应用于匝道桥梁和桥下空间受限的桥梁之中。但由于独柱墩墩顶较窄，使得桥梁在汽车偏载作用下，对结构的横向抗倾覆稳定性非常不利。
随着交通行业的迅速发展，独柱墩桥梁已被广泛应用于我国城市立交、高速匝道桥梁。独柱墩桥梁不仅占用土地面积少，且能使桥梁下部结构造价节约约30%，特别是对于上跨立交等下部空间受限的桥梁，更是很好的处理方式。但近年来，国内已经多次发生桥梁倾覆事故，造成了重大的经济损失和极其恶劣的社会影响。如2009年7月15日津晋高速公路天津段港塘互通立交桥A匝道独柱墩桥梁因3辆严重超载车辆密集停置并偏离行车道，导致桥梁发生倾覆事故，5辆载货车坠落，造成6人死亡，4人受伤。2012年8月24日哈尔滨三环路高架桥洪湖路上桥匝道处(距阳明滩大桥3.5公里)，有四辆满载石料和饲料的重型货车由北至南依次使入匝道桥，造成桥面严重偏载，致使箱梁侧翻，当场造成2人死亡，6人受伤，其中1名伤者送医院后经抢救无效死亡。在这些桥梁上部箱梁发生倾覆而导致的事故中，有一个共同的特点是均使用了独柱墩，这些事故给我们桥梁工程师在设计中使用独柱墩结构时必须考虑偶然荷载偏载所引起的危险性敲响了警钟，桥梁工程师在设计时，需对使用独柱墩连续梁的桥梁进行偶然荷载抗倾覆验算，并尽量在满足桥梁设计限制条件下不使用独柱墩结构，或少用独柱墩结构，以避免事故的发生。
本文以某高速路上跨独柱墩连续梁桥为例，利用公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62）征求意见稿中的公式，对本桥进行抗倾覆验算。
1、工程概况
某连续梁桥跨径布置为（20+2×25+20）米，跨越某高速公路，上跨桥与高速公路斜交角度为24度，上跨桥为斜桥正做，中墩布置在高速公路中央分隔带上，由于高速公路中央分隔带的空间限制，下部结构中墩必须采用独柱墩以满足要求。上部结构形式采用单箱单室，箱梁高1.5米，顶面宽8.0米，底面宽4.5米。下部结构采用两种方案：第一种：桥台采用肋板式桥台，桥墩均采用桩柱式桥墩，1#和3#桥墩采用双柱式，2#中墩采用独柱式；第二种：桥台采用肋板式桥台，1#、2#和3#桥墩均采用独柱式接桩基。
2、计算参数
2.1. 一期恒载：混凝土容重取26KN/m3。
2.2. 荷载等级:公路－Ⅰ级。
2.3. 温度按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）4.3.10条计算。
2.4. 桥面静荷载：护栏单侧每延米重9.4KN/m，桥面铺装厚度为8cm～15cm。
2.5. 冲击系数计算参照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）条文说明4.3.2。
2.5. 荷载说明：采用最不利偏载情况布置汽车荷载。
3、恒载计算
本文采用有限元程序桥梁博士建立平面杆系单元，计算得到本桥的上部结构恒载为：P0= P4=1840KN，P1= P3=3330KN，P2=4350KN（Pi中i为0～4，Pi为墩、台处恒载支座反力）。
公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62）征求意见稿中对采用整体式断面的中小跨径梁桥应进行上部结构抗倾覆验算。上部结构的抗倾覆稳定系数应满足下式要求：
（4.1.9）
式中 ——抗倾覆稳定系数；
Sbk ——使上部结构倾覆的汽车荷载（含冲击作用）标准值效应；
Ssk ——使上部结构稳定的作用效应标准组合；
在作用效应标准组合（汽车荷载考虑冲击作用）下，单向受压支座不应处于脱空状态。
箱梁桥倾覆过程是在汽车荷载的倾覆作用下，单向受压支座依次脱空，由边界条件失效而失去平衡的过程。本桥在直线段上，采用斜桥正做，倾覆轴线为位于箱梁桥中心线同侧的桥台支座连线，见下图1、图3。
图1（单位：cm）
图2（单位：cm）
图3（单位：cm）
图4（单位：cm）
箱梁桥的抗倾覆稳定系数为：
式中： qk ——车道荷载中均布荷载；
pk ——车道荷载中集中荷载；
l ——为桥梁全长；
e ——横向最不利车道位置到倾覆轴线的垂直距离；
u ——冲击系数；
RGi ——成桥状态时各个支座的支反力；
——各个支座到倾覆轴线的垂直距离；
当桥台座脱空时，箱梁发生倾覆，计算此时的抗倾覆稳定系数，看是否满足规范，如满足规范，则箱梁不会发生倾覆，如不满足，则更换设计方案或采取措施处理，使箱梁满足抗倾覆要求。
4.1、方案一：
正常荷载偏心满布情况下（见图1、图3）：
qk =10.5 KN/m;
pk =260 KN；
l =90 m；
e =1.75+0.6-0.5×2-2.5/2=0.1 m；
u =0.361 ；
RG0 = RG4 =920 KN；RG1 = RG3 =1665 KN；
====3.3 m；
104.0>2.5满足要求。
考虑非正常单侧满布重车荷载情况下（见图2、图3）：
e =1.75+0.6-0.5-2.5/2=0.6m；
6.3>2.5满足要求。
4.2、方案二：
正常荷载偏心满布情况下（见图1、图4）：
37.0>2.5满足要求。
考虑非正常单侧满布重车荷载情况下（见图2、图4）：
e =1.75+0.6-0.5-2.5/2=0.6m；
2.3
5、小结及建议
经过验算，在非正常的偶然荷载情况下，方案一满足抗倾覆要求，方案二不满足抗倾覆要求。从计算可看出，在小跨径连续梁下部结构空间受限采用独柱墩时，必须计算偶然荷载情况下桥梁的横向抗倾覆性是否满足要求，不满足时必须采取措施或更换方案以保证桥梁的设计安全。
在正常设计荷载下，方案一、方案二均满足设计规范的要求。在国外，独柱墩使用也非常广泛，但基本上没有发生倾覆事故，主要原因是我国超载严重，而独柱墩的弊端就是抗倾覆性差，容易因为偏载过重发生桥面倾覆事故，使得比较专业性的独柱墩桥梁设计在我国的实际使用中存在缺陷，这需要桥梁工程师在设计中使用独柱墩时，考虑细节问题，尽量采取一些措施改善因偶然偏载引起桥面倾覆事故发生，本文提供几点建议如下：
5.1.设计中在满足桥梁限制条件的前提下，进行偶然荷载非正常偏载计算，并尽量使用多柱结构。
5.2.使用独柱墩的情况下，尽量使用双支座。
5.3.在桥头设置限载和桥上禁止停车标志，互通匝道末端设置禁止逆行标志，同时设置水泥隔离墩、钢护栏等渠化交通，避免车辆偏载行驶或停车。
5.4.对已经建成的独柱墩连续梁进行抗倾覆论证，对抗倾覆性有问题的桥梁进行抗倾覆加固处理。
5.5.呼吁重型车辆车主加强安全意识，不要把重型车辆改装成超重型车辆；呼吁有关部门严禁改装重型车上路。
参考文献：
[1] 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62）征求意见稿；
[2] 《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）。