山区曲线梁桥弯扭耦合机理与抗倾覆设计要点

山区曲线梁桥弯扭耦合机理与抗倾覆设计要点

田奎孙文泰

中交二公院湖北武汉430056

摘要:曲线梁桥是山区高速公路建设的常用桥型结构。论文总结了曲线梁桥的弯扭耦合受力特点及形成的结构性能，并针对目前广受关注的梁桥倾覆事件，分析了曲线梁桥横向倾覆机理，从而提出了抗倾覆设计措施和方法，以提高山区曲线梁桥的设计安全和长期运营性能。

关键词：山区；曲线梁桥；弯扭耦合；独柱墩；倾覆；设计措施

1前言

完善交通运输基础设施建设，提升公路设计与运营质量，是我国现阶段公路设施建设的主要目标。然而，由于我国地域广阔，人口散布，为了满足不同区域的经济交流和社会沟通，不可避免需要在山区环境建设高速公路。山区环境地形和地貌复杂，高速公路桥梁的建设势必需要满足路线的规划要求，因此存在诸多曲线梁桥结构型式，主要存在复杂地形区域、高速公路立体交叉工程、大型桥梁引桥等情况中[1]。

曲线梁桥结构型式优美，设计效果美观，且为了缩减桥梁下部基础设施空间，往往采用中间独柱式墩柱。但由于曲线梁桥显著的弯扭耦合特性，使得虽然采用中间独柱墩结构型式合理，但存在很大的横向倾覆安全隐患问题。自2007年以来，我国已经发生了多起独柱墩式梁桥的横向倾覆事故。包头市民族东路高架桥引桥于2007年10月23日被三辆货车压翻，该桥采用中间独柱墩型式，跨径35m宽25.5m。津晋高速公路闸道桥在2009年7月15日发生坍塌事故，事故原因是3辆严重超载货车140.22t,142.28t,146.72t，该桥采用单支座布置形式。浙江省上虞市春晖互通匝道2011年2月21日发生侧倾事故，桥梁同样采用独柱墩结构。哈尔滨阳明滩大桥引桥2012年8月24日发生桥梁倾覆，该桥采用中间独柱墩支撑。广东省粤赣高速公路河源段独柱墩匝道桥2015年6月19日发生倾覆倒塌[2]。这些独柱墩式曲线（接近直线）梁桥的倾覆事件，使得业内对于曲线梁桥的设计更加慎重。

论文分析山区环境建设的曲线梁桥结构，从结构受力特点上分析曲线梁桥的弯扭耦合机理和影响弯扭耦合的设计要素，并以独柱曲线梁桥为结构背景分析其倾覆机理，从而提出抗倾覆设计要点和方法，保障山区曲线梁桥的结构设计与运营安全。

2曲线梁桥弯扭耦合受力特点

曲线梁桥的典型受力模式是“弯扭耦合”，梁体结构在承受竖向弯曲作用下，由于横向曲率的影响，使得桥梁的重心偏离与两端支座连线，从而产生扭矩。而扭矩对于梁体的作用效果，又是导致梁体横向挠曲，这种耦合作用效应形成曲线梁桥的弯扭耦合受力特点，主要表现在：1）在同等荷载作用下，曲线梁桥的竖向挠度比同等跨度的直线梁桥要大；2）无论是恒载还是恒载的竖向作用，曲线梁桥的外边缘总会大于内边缘，形成外侧超载内侧卸载的效果；3）曲线梁桥的支座反力与直线桥相比总会外侧增大和内侧减小，且可能产生内侧支座脱空，梁体横向翻倒问题。由于曲线梁桥的上述弯扭耦合特点，作为联系内外梁的横隔板或者横隔梁，具有将内外梁连成整体，提高抗扭性能的作用，因此横梁在曲线梁桥中的作用显著。

根据曲线梁桥的上述受力特性，可以总结，影响曲线梁桥结构力学特定的主要因素为：1）主梁弯扭刚度比，由于曲线梁桥的弯扭耦合作用，提高梁体的弯扭刚度比，可以显著增加曲线梁桥的受力性能。2）圆心角与半径。曲线梁桥的圆心角和半径是决定其计算模式是否可以等效为直桥的关键，圆心角大且半径小的曲线梁桥，弯扭耦合效应非常显著；而圆心角较小且半径大的曲线梁桥可以按照直桥进行设计。3）桥梁宽度，曲线梁桥的横向宽度决定了其弯扭耦合导致的内外梁差异性，横向宽度越大，差异愈加显著。4）支撑方式，曲线梁桥是平面受力结构，因此支撑方式对于梁体内力分配很重要，如图1所示，中间设置点铰支撑的，不能改变梁桥内扭矩的分布，而设置间隔点铰支撑或者完全双点支撑的，扭矩全跨内的分布更加合理。

式中：K是倾覆系数，临界状态下是K=1，K>1被认为是不会发生倾覆，但是考虑到计算模式不确定、材料估计不确定等，因而一般需要赋予一个较高的安全储备，例如认为时桥梁倾覆稳定是安全的。M1是抵抗弯矩，主要是恒载下各个支座反力对倾覆轴的力矩和。M2是倾覆弯矩，主要是活载对倾覆轴的力矩和。

可以看到，曲线梁桥的横向倾覆总是绕着最外侧支座的转动轴进行，根据弯扭耦合机理，曲线梁桥本身恒载作用下就存在外梁超载内梁卸载的问题，而采用独柱墩式的梁桥，中间支撑采用点铰支撑或者距离很近的双点支撑，都提供很低的横向抗倾覆性能，特别是对于桥梁宽度较大的梁桥，横向倾覆的可能性更高。对于多数情况，设计状态下，偏载产生的倾覆力矩小于自重产生的抗倾覆力矩。在极端偏载作用下，首先，由于支座反力的重分使得部分支座承担的竖向荷载超过支座或盖梁的承载能力，出现构件破坏，进而导致结构的支承条件和位置形态发生变化，在变化后的结构状态下，偏载产生的倾覆力矩大于自重产生的抗倾覆力矩，导致结构整体横向倾覆。

从上述倾覆机理可以看出，曲线梁桥由于显著的弯扭耦合效应，车辆荷载、独柱墩型式、桥梁型式是三个重要的倾覆稳定影响因素。车辆荷载直接贡献倾覆力矩，且是导致支座脱空的重要因素。独柱墩型式不能调整扭矩在梁跨范围内的改变，使得支座容易脱空，进而导致梁桥横向倾覆，我国1规范没有对弯桥倾覆给出明确的设计要求，导致很多设计的独柱墩梁桥没有进行必要的抗倾覆验算。桥梁型式方面，小曲率的曲线梁桥由于自重下结构的抵抗力矩很大，且车辆荷载的布载面积小，倾覆作用力矩相对较小，结构反而不容易发生倾覆；而如果采用大曲率甚至是直线，同时又用独柱墩结构型式，或者中间支座间隔很小，则极大地增加了桥梁倾覆可能性。

3.2抗倾覆设计对策

根据弯扭耦合效应，虽然导致独柱墩梁桥的直接诱因是车辆超载问题。但是车辆超载在我国是非常复杂的因素，一方面，受到各种利益驱使，无法完全根治超载重载问题，而一旦有超载，就具有一定的超载车并排行驶的概率，导致桥梁倾覆倒塌。另一方面，我国地域广泛，不同区域的车辆荷载问题差异很大，不可能通过提高车辆荷载设计标准进行横向稳定的保障。因此，从梁桥本身的独柱墩结构型式进行改善，是目前行之有效的方法。

首先，鉴于独柱墩式桥梁的抗扭性能差的特点，应该妥善采用大曲率或者直线的独柱墩型式梁桥。大曲率的曲线梁桥，作用倾覆区域的车辆荷载布载范围很大，从而增加了桥梁倾覆风险。

其次，改善独柱墩的横向支座间隔，增加抗扭性能。如果是双支座型式，需要在设计条件下增加横向支座间隔，如果是单点支撑形式，需要对支座进行必要的外侧移动，或者直接将桥墩和梁体进行固结处理，从而降低桥梁倾覆的风险。

再则，进行必要的横向稳定构造处理。对于稳定力矩较小的梁桥结构，可以采用抗拉支座或者设置竖向抗拉钢筋的方法，为梁桥的横向稳定设置安全储备。

最后，开发支座受力状态监测系统。对于易受重载车辆作用而倾覆的山区曲线，需要对敏感位置的支座设计必要的监测方法，以明确支座在使用中是否存在脱空问题，并根据运营状态进行必要的加固或者改善。

5结论

山区环境曲线梁桥结构型式类型众多，鉴于曲线梁桥显著的弯扭耦合效应，在目前的设计体系下，很容易出现曲线梁桥横向倾覆问题，近年来多起梁桥倾覆事件就是教训。论文分析曲线梁桥弯扭耦合的受力机理以及由此形成的结构特性，其次分析了曲线梁桥的倾覆机理，并提出进行抗倾覆设计的方法和措施，在利用曲线梁桥结构型式优美的优点同时降低其因弯扭耦合导致的横向倾覆问题，提高山区桥梁的安全和使用性能。

参考文献

[1]周若来,陈卫东.曲线梁桥常见病害与设计要点[J].中外公路,2008,28(6):149-151.

[2]李雪辉,王蕴华.独柱支承连续箱梁弯桥倾覆事故的成因分析与加固设计[J].公路交通科技(应用技术版),2012,2:002.

[3]董学智,禹智涛,孙煜.独柱墩梁桥倾覆轴线的选取[J].城市道桥与防洪,2015(4):46-49.

作者简介：

田奎（1983-），男，汉族，江西九江人，本科。助理工程师，从事公路设计工作；孙文泰（1983-），男，汉族，甘肃古浪人，本科。助理工程师，从事公路设计工作。