道路桥梁抗倾覆设计探讨

刘松，董营

（1.济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司，济南250003 2.山东省路桥集团有限公司，济南250014）

1 引言

桥梁主要由下部墩柱基础与上部梁体共同构成。近些年，伴随城市化进程的提速，道桥工程建设数目增多，规模也不断增大，人们对道桥工程建设质量越来越重视[1]。抗倾覆设计是保证道桥安全性、稳定性的重要因素之一，故而相关参建单位应该不断完善抗倾覆设计，提高施工水平，一方面能确保道桥使用的安全性，另一方面也能延长其使用寿命。

2 倾覆临界状态和抗倾覆安全系数的内涵

2.1 道桥的临界状态

在明确抗倾覆设计对象后，应选用适宜的力学方法与抗倾覆分析法去测评道桥的抗倾覆情况。从宏观上，倾覆临界状态主要有2 种：第一种是支撑梁式桥的边墩支座处于脱空状态，而后又衍生出中墩支座转角超限的状况，最后造成整个结构连续下倾覆；第二种是中墩支座转角0.03 rad 及边墩支座陷入脱空境地中，均可以被看成是道桥倾覆的临界状态。大部分情况下，边墩支座脱空、相应的中墩支座转角0.03 rad 分别叫作第一、第二倾覆临界状态。参照既往有关调研资料，不难发现城市道桥内的直桥、弯桥通常分别被第一、第二倾覆临界状态控制。

2.2 道桥抗倾覆安全系数

可以采用式（1）表示道桥抗倾覆安全系数[2]：式中，k为车辆荷载作用下的道桥结构倾覆稳定安全系数；Mcd为在考虑初始倾覆效应后，中墩支座转角抵达倾斜状态所形成的抗倾覆效应；Mqc为参照最差布载规则，规范车辆荷载作用下道桥的最差倾覆效应；分别为倾覆临界状态、初始状态结构下的倾覆效应。

参照道桥结构自身效应，应全面考虑桥梁自体重量，混凝土收缩、徐变，预应力荷载等影响因素。在确定抗倾覆安全系数环节中，应重视分析工程实施过程的安全性和稳定性，并考虑工程的经济性。因道桥抵达倾覆临界状态需要历经一定的过程，只有在对各结构进行全过程分析后方能确定k值。

3 工程概况

对某高速公路独柱墩桥梁横向抗倾覆加固项目进行施工建设，全线共设计5 处收费站，全长45.185 km，2014 年10 月底建成并通车，设计时速100 km/h(在2016 年9 月被相关部门批准提速到120 km/h)，双向6 车道，路基34.0 m，桥涵和路基等宽。

本高速公路共建设了14 座独柱墩桥梁，都是匝道桥，共计21 联。历经前期系统的测评分析后，发现局部独柱墩桥梁横向抗倾覆检测值和现行规范要求之间存在出入，需尽早进行加固施工处理。

利用常规方法测算连续箱桥梁的抗倾覆性能，流程较烦琐，道桥结构发生倾覆情况概率和旋转线外弧册的桥面面积呈正相关性。基于以上原理，参照本工程施工阶段支座的设置情况，能够确定最容易发生倾覆情况的连线为13○号墩柱的外侧支座至14○号墩柱外侧支座的连线，如图1 所示[3]。

图1 最不利倾覆轴线

4 道桥抗倾覆性设计的完善方法

4.1 加强桥宽与边支座间距比的控制

在道桥设计施工阶段，有效控制桥宽和边支座间距比，能较好地改善桥梁项目的抗倾覆性能，使桥梁投用过程的安全性得到更大保障。参照既往相关调研与分析资料，若道桥的桥宽与边支座间距比＞2.5，尤其是直桥，其抗倾覆性能处于交叉水平，而安全风险系数偏大。这就预示着在道桥抗倾覆设计阶段应对如上问题加以重视，在确保桥梁项目建设质量的基础上，尽可能地短缩悬臂长度，拓展箱底的宽度，科学设定支座横向间距值。以上是提升桥梁抗倾覆性能的有效举措之一。另外，也可以配合使用断横梁外伸的方法去降低桥宽与边支座的间距比。

4.2 固结墩梁和边支座的设计与控制

道桥项目施工建设阶段，施工方应综合分析主客观多种因素，对边支座、桥墩的数目等做出科学设计，加强墩柱结构承载性能指标的检测，其承载力满足设计要求时，方能使桥梁的抗倾覆能力得到更大保障。施工阶段还需要考虑恒载分配的情况，在采用2～3 个边支座的桥梁工程中，边支座通常能产生更大的恒载反力，进而较有效地延缓产生脱空的时间[4]。

已知曲线半径对桥梁跨径和边中跨造成的影响明显大于支点反力的影响程度，故而结构抗倾覆设计时应对如上问题加以高度重视。大部分工况下，当恒荷载储备较多的反力时，出现负反力的概率很低，即便有反力出现也均是正反力。鉴于以上情况，在对道桥结构进行抗倾覆设计时，针对容易出现负反力墩台侧，应适度拓展其跨径，或者采用减小临近跨径的办法，均能取得增加墩台恒荷载储备量的效果，减少或规避桥梁投用阶段发生倾覆的情况。

整体分析公路道桥结构，不难发现盆式制作能起到较好的横向束缚作用。故而，在抗倾覆设计测算阶段，一定要对支座允许的横向变形（正常是3.0～4.0 mm）情况给予重视，全面分析并科学释放这一位移，有益于降低横向反力。若检测到支点的横向反力超出纵向反力10%，在这样的工况下，施工人员需要隔墩布设盆式支座。如果面对的是柔性结构的连续高墩，那么可以利用墩和梁体相互固结的方法，同时将拉力支座布设在过渡段。

4.3 合理应用防落梁设施

大量工程实践表明，桥梁防落梁设施在增强道桥抗倾覆能力方面表现出良好的效能。若桥梁项目施工阶段能合理使用防落梁设施，那么在发生大型交通事故时，能对桥梁运作过程的常态性能发挥一定的保障作用，较明显地提升了桥梁的抗倾覆性能，优化项目的施工质量。

在具体施工实践中，通常要依照桥梁实况确定防落梁的设计移动量，要求防落梁装置的设计移动量调整过程较便捷[5]。国内简支桥梁跨度通常是20 m、30 m 与40 m 混凝土梁桥，和刚桥相比较其自重更大，故而要求防落梁装置要满足较大的吨位设计要求。

5 结语

总之，做好道桥的抗倾覆设计，是有效保护公路桥梁完整性、确保其投用阶段安全性及延长道桥使用年限的有效措施之一。为规避桥梁项目的倾覆失效问题，设计人员应立足于工程实际状况，综合分析多种因素，扎实掌握抗倾覆的设计方法，在此基础上对桥梁结构的抗倾覆进行科学设计，使桥梁的应用安全性和稳定性得到更大保障，为社会经济发展做出更大贡献。