弯梁桥的抗倾覆稳定性设计

弯梁桥的抗倾覆稳定性设计

蔡鹏

江苏腾上建设有限公司，江苏无锡 214000

【摘要】弯梁桥在城市高架和立交中应用越来越多，要求越来越高。近年来各地桥梁倾覆事故频发，无疑给我们桥梁设计工程师敲响了警钟，警醒我们应重视桥梁抗倾覆稳定性设计。本文通过具体的工程实例，结合三维空间程序的计算和分析，对比不同构造措施对支座反力以及抗倾覆稳定性结果的影响，从而为今后弯桥梁设计过程中遇到桥梁抗倾覆稳定性不足的问题，提供技术参考及解决方案。

【关键词】弯梁桥、抗倾覆、脱空、倾覆轴、弯扭耦合、设计

1.引言

随着城市的迅速发展、交通量日益增加，人们对交通基础建设的要求越来越高。城市高架及立交的建设，在一定程度上能缓解城市道路拥堵，改善城市交通状况。但受限于城市地形、地物、地下管线、基本农田、建设投资等诸多条件，城市高架和立交往往没条件做到规模很大，功能很全。小半径匝道桥既能实现两条不同向道路的转向交通功能，又能缩减工程规模，减少占地，在城市互通式立交中优势突出。

2.弯梁桥的结构特点

我们在对弯梁桥进行设计前，首先要全面了解弯梁桥的受力特点，进而才能借助于相关辅助软件对弯梁桥进行简化分析和计算。弯梁桥的变形和受力远比常规的直线桥复杂，由于曲率半径的影响，弯梁桥在竖向弯曲时会产生扭转，这种扭转会进一步导致箱梁发生扭转变形，弯梁的曲率半径越小，桥宽越宽，这种扭转变形越明显。受弯梁桥曲率的影响，弯梁桥在自重作用下，会有外翻的趋势，导致弯桥的支反力在曲线外侧偏大，内侧偏小，在恒载较小或者是支座间距较小时，甚至内侧会出现负反力的情况，加之汽车荷载的偏载以及离心力的作用，更会加剧内侧支座脱空的发生。对于平曲线半径较小的预应力弯梁桥，预应力效应不仅对弯桥曲线内侧产生较大的钢束径向力，而且对支反力的分配有较大的影响，设计时需要加以重视，对于半径较小、跨度要求不高的的曲线梁，多采用钢筋混凝土连续梁结构来规避此类问题。

弯梁桥一般多采用箱形梁结构，因其结构整体性较好，且具有足够的抗扭和抗弯刚度，对于弯扭耦合效应下的弯桥具有突出的优势。结合近年来的桥梁工程事故不难发现，弯梁桥自身强度破坏引发的事故很少发生，大部分是上部结构的倾覆事故。如2019年10月，江苏无锡G312国道某三跨混凝土连续箱梁发生整体倾覆；2021年12月，湖北G50沪渝高速花湖互通匝道某三跨混凝土连续箱梁发生整体倾覆等。这些桥梁倾覆事故都有着共同的特点，即结构倾覆破坏均早于强度破坏，均为没有任何征兆的脆性破坏，倾覆事故的发生均造成不同程度的人员伤亡和较恶劣的社会影响，我们应当从中汲取教训，重视桥梁抗倾覆设计，杜绝类似事故再次发生。2018年交通部颁发了《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018），该规范明确对混凝土梁桥的抗倾覆性设计提出了明确的要求，弥补了规范对混凝土梁桥抗倾覆要求的空白。我们桥梁设计人员应认真学习，严格按照规范要求对混凝土梁桥，尤其是弯梁桥进行抗倾覆设计。

3.工程实例分析

南京某立交工程SE右转匝道为避让现状加油站，采用R=50m小半径转定向右转匝道，为避免预应力径向力的影响，匝道结构采用21.5+23.6+21.5m钢筋混凝土连续箱梁。

立交方案效果图

箱梁采用单箱单室结构，斜腹板，箱梁梁高1.6m，顶板宽8.7m，底板宽4.148m，箱梁两侧悬臂为1.85m，顶板厚0.25m，底板厚0.25～0.4m，腹板厚0.5～0.7m。端横梁厚1.2m，中横梁厚2m，增设跨中横隔板，增加其抗扭刚度，跨中横隔梁厚0.3m。箱梁采用C40钢筋混凝土结构，设计荷载为城-A级，桥梁横断面布置为：0.5防撞护栏+8机动车道+0.5 m防撞护栏。受环评影响，桥梁曲线内侧需设置4.5m高声屏障。本次静力计算采用midas civil建立空间单梁模型，采用Civil Designer进行后处理计算，为达精度要求，本次建模的单元长度基本按照1.0m划分，全桥共划分为67个单元。计算单梁模型如下：

Midas单梁模型

与普通直线桥相比，本次弯梁桥的设计还需特别考虑如下作用：a.应考虑一期恒载和二期恒载在曲线内外侧的自重差异，软件不能自动识别计算，采用分布扭矩施加模拟，一期恒载作用下外翻扭矩为13.3KN·m/m，二期恒载作用下外翻扭矩为13.8KN·m/m，其中扭矩的施加方向采用右手螺旋法则。b.曲线桥应考虑离心力作用，本桥离心力大小15.5KN/m，作用方向朝向曲线外侧。c.考虑声屏障自重3KN/m，风荷载6.6KN/m，水平风荷载作用方向朝向曲线外侧更为不利。本弯梁桥为普通钢筋混凝土结构，不存在预应力效应对腹板内外侧应力及支座反力的影响，除了抗扭强度需要特别注意，其它的强度、裂缝等计算与常规的直线桥无异，本次不再赘述。

桥梁倾覆轴是根据荷载临近支座的连线进行确定，是计算抗倾覆稳定性的前提条件。桥梁支座的横向布置，直接决定着桥梁倾覆轴的位置。本次通过建立三种不同支座布置的模型，对桥梁结构的抗倾覆性进行验算，并对其计算结果进行对比。模型Ⅰ：边支点和中支点处的支座均横向居中对称布置，支座间距为2.8m。模型Ⅱ：边支点处支座横向间距3.2m，向曲线外侧设偏0.45m，中支点处支座横向间距2.8m，不设偏。模型Ⅲ：边支点和中支点的支座横向距离拉到最大，分别设置于边腹板位置处，支座间距3.4m。以上三种模型的抗倾覆性验算结果如下：

基本组合下最小反力验算

抗倾覆稳定性系数验算

通过对以上三种不同模型的计算过程和计算结果的分析，我们可以得出以下结论：

（1）弯梁桥的边墩内侧支座最容易出现脱空，设计中应控制边墩内侧最小支反力。

（3）拉大支座横向间距，可以降低汽车偏载引起的支座负反力，通过使支座倾覆轴外移，从而增加结构的抗倾覆力矩。

（3）通过设置支座预偏心可以调整梁的扭矩分布，减小梁的扭矩峰值和扭转变形，从而有效调整内外侧支反力的大小分配，同时亦可以降低汽车偏载引起的支座负反力。

4.结束语

在桥梁设计中，为解决混凝土箱梁抗倾覆稳定性问题，应尽量避免中墩设置单支座的情况，通常可采用拉大支座横向间距和支座径向预设偏的方法来提高上部结构抗倾覆能力。拉大支座横向间距的方法多用于公路项目，因为大多数公路项目用地不受限制，且景观要求相对较低，下部结构可采用桩柱式桥墩来拉大梁部的横向支座间距。城市互通立交匝道桥的布置，往往因为用地条件的限制，景观要求较高，下部结构多采用独柱花瓶墩，受制于独柱花瓶墩墩顶宽度，导致梁部的横向支座间距没条件做很大，因此只能采用设置支座预偏心的方法来提高梁部抗倾覆能力。无论采用哪种支座布置的方法，我们在进行弯梁桥的计算分析时，都应该严格按照规范要求。一方面保证在基本组合下，各支座均保持受压状态，不出现支座脱空。另一方面保证在标准组合下，支座的横向抗倾覆稳定性有不小于2.5倍的安全系数。从而从源头上避免支座脱空和桥梁倾覆事故的出现。

参考文献

[1] 中交公路规划设计院有限公司，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S] .北京：人民交通出版社股份有限公司，2018.

[2] 中交公路规划设计院有限公司，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范应用指南[S] .北京：人民交通出版社股份有限公司，2018.

[3]范立础.桥梁工程（上册）[M]. 北京：人民交通出版社，2009.

[4]邵旭东，程翔云，李立峰.桥梁设计与计算[M]. 北京：人民交通出版社，2009.

[5]李泉智.支座间距对桥梁抗倾覆性能的影响分析[J].低温建筑技术，2015（10）80-82.

[6]方诗圣、周广腾、方飞、张振.预应力混凝土连续曲梁桥支座预偏心设置研究[J].中外公路，2014（34）158-161.

[7]周子杰、阮欣、石雪飞. 梁桥横向稳定验算中倾覆轴的选取[J].重庆交通大学学报，2013（5）907-910.