平曲线小半径现浇箱梁抗倾覆计算及倾覆防控措施

平曲线小半径现浇箱梁抗倾覆计算及倾覆防控措施

胡敬梁

(华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210005)

摘要：平曲线小半径现浇箱梁结构广泛用于国内高架、互通枢纽的匝道桥梁，为满足通行要求，桥下常采用独柱墩。自2007年以来，国内相继发生多起独柱墩桥梁倾覆倒塌事故。为研究汽车荷载作用下小半径桥梁的稳定问题，本文以海安至启东高速公路为背景工程，借助有限元分析软件Midas Civil 2020构建小半径桥梁的有限元分析模型，开展已建成桥梁抗倾覆验算，分析其支反力和稳定性，并讨论可采取的抗倾覆防控措施。

关键词：小半径现浇箱梁；稳定；抗倾覆

Calculation of anti-overturning and preventivemeasures for small radius cast-in-situ box girders

Yan Chunxiu

（China Design Group Co., Ltd, Jiangsu Nanjing 210005）

ABSTRACT: The small radius plane-bending cast-in-situ box girder structure is widely used in overheadbridges and interchanges in China. To meet traffic requirements, single-column piers are commonly used. Since 2007, there have been multiple overturning and collapse accidents of bridges withsingle-column piers.In order to research the stability of small radius plane-bending bridges under vehicle loads, this paper takes the Hai'an-Qidong Expressway to construct a finite element analysis model of small radius bridge with the aid of the finite element analysis software Midas Civil 2020 by carrying out the overturning resistance calculation of completed bridges、analyzing their support forces and stability and discussing possible anti-overturning preventive measures.

KEY WORDS: small radius plane-bending cast-in-situ box girder; stability; anti-overturning

近年以来，国内相继发生多起桥梁倾覆倒塌事故。07年包头民族东路主线高架桥侧翻；09年津晋高速匝道桥侧翻；10年南京内环高架匝道施工中侧翻；15年赣粤高速河源出口匝道桥侧翻。2019年10月无锡的高架桥侧翻事故，曾引发广泛关注。2021年12月“湖北G50沪渝高速花湖互通匝道倾覆事故”，也是如此。它们都有一个共同的特征：破坏前没有征兆，多出现于匝道桥，造成人员伤亡和较大的社会影响。

平曲线小半径现浇梁广泛用于国内高架、互通枢纽的匝道桥梁，为满足通行要求，桥下常采用独柱墩。而带来的隐患是，桥梁的整体稳定性降低，当桥上过多车辆或重载车辆在曲线外侧车道经过时，存在内侧支座脱空甚至桥梁侧翻的安全隐患。

2018年新规《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》对抗倾覆计算做了明确的规定，很多工程师对以往的独柱桥梁利用新规范进行计算。本文针对海启高速已建成桥梁开展抗倾覆验算，分析小半径桥梁稳定性。如不满足现行规范，则采取必要防控措施，这对于确保行车安全性和社会经济性，具有非常重要意义。

1 工程概况

本文依托工程为海安至启东高速公路（HQ-SJ-1标段）。本次桥梁抗倾覆核查工作根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362-2018）4.1.8条要求进行箱梁抗倾覆稳定性验算。主要核查以下3类桥梁：

（1）单支座支承的预应力砼箱梁；

（2）小间距双支座的预应力砼箱梁（支座间距≤4.5m）；

（3）系杆拱桥。

经梳理，选取启东北枢纽B匝道跨通启高速公路大桥第2联进行抗倾覆核查验算。上部结构跨径组合为：(28+40+30)m，桥宽10.5m，除7#墩为单支座，其余桥墩均为双支座，支座间距为4.5m。本桥位于A=120m的缓和曲线及R=160m的圆曲线上；上部结构型式为现浇PC箱形连续梁，下部结构为桩柱式桥墩，肋板式桥台，钻孔灌注桩基础。

图1B匝道跨通启高速公路大桥第2联桥型图)

2 计算模型

2.1 计算参数

(1) 钢筋混凝土、钢纤维混凝土：容重γ=26kN/m3；

(2) 沥青混凝土：容重γ=24kN/m3；

(3) 支座不均匀沉降：L/3000；

(4) 温度作用：整体升降温25℃，竖向温度梯度效应按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）第4.3.12条取用，正温差T1=14℃、T2=5.5℃，负温差T1=-7℃、T2=-2.75℃。

(5) 桥面铺装根据实际计算结果进行加载；

(6) 两侧护栏，按13kN/m施加；

(7) 支座位置均按图纸准确建立；预应力布置按照图纸钢束形状进行输入；

(8) 活载按规范规定最不利位置进行偏载布置。

图2最不利汽车荷载布置示意（单位:cm）

2.2 计算依据

（1）公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2015）；

（2）公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG 3362-2018）；

（3）海安至启东高速公路HQ-QD3施工标段图纸，2015年8月。

2.3 模型搭建

采用Midas Civil 2020进行结构计算，建立空间有限元模型。全桥共划分为96个单元，111个节点。支座上部节点与主梁单元节点采用刚性连接，支座上、下部节点间采用弹性连接模拟，下部节点采用一般支承。结构几何计算模型如下：

图3计算模型图

图4支座编号

3 抗倾覆验算基本原理

3.1 倾覆原因

桥梁结构倒塌原因可分为以下三类:

1.下部结构破坏，上部结构保持完好。在极端事件下（例如地震、车辆撞击等），下部结构破坏，上部结构支承失效，引起倒塌；

2.上部结构强度破坏。荷载作用下，上部结构因强度不足发生破坏，造成倒塌；

3.下部结构完好，上部结构倾覆破坏。

倾覆坍塌是桥梁倒塌的一种形式，没有明显征兆，猝然发生及其危险，需要严格控制。

3.2 倾覆特点

从典型倾覆桥梁结构形式和倾覆发生时车辆统计，可以发现，这些桥梁在结构类型、事故原因和破坏特征上基本相同。主要有下述四点：

1.发生倾覆事故的桥梁，基本采用整体式截面——箱型截面；

2.事故桥梁基本采用桥台/过渡墩双支座、跨中单支座的支承体系；

3.事故原因为偏心荷载作用，或结构支承体系失效，或二者共同作用，其中重载车辆的作用尤为明显；

4.倾覆发生前无明显预兆，突然发生，危害极大，事故后结构整体性基本完好。

3.3 倾覆机理

桥梁倾覆现象可以简单描述为，小半径现浇梁在汽车偏载工况下，偏载效应大于自身的稳定效应，箱梁将绕某一侧支点发生旋转，进而发生倾覆失稳。

图5倾覆机理简图

倾覆过程存在2个明确特征状态：在特征状态1，箱梁的单向受压支座开始脱离受压；在特征状态2，箱梁的抗扭支承全部失效。参考国内外相关规范，采用这两个特征状态作为抗倾覆验算工况。

（1）针对特征状态1，作用基本组合下，箱梁桥的单向受压支座处于受压状态。

（2）箱梁同一桥墩的一对双支座构成一个抗扭支承，起到对扭矩和扭转变形的双重约束；当双支座中一个支座竖向力变为零、失效后，另一个有效支座仅起到对扭矩的约束，失去对扭转变形的约束；当箱梁的抗扭支承全部失效时，箱梁处于受力平衡或扭转变形失效的极限状态，即达到特征状态2。

4 验算结果特性分析

4.1 验算结果

图6标准组合下永久作用产生的支反力（单位：kN）

针对本桥，在汽车偏载的作用下，抗倾覆验算如下：

验算表明：

1. 特征状态1，各支座均受压，满足规范4.1.8条文1的要求；

2. 特征状态2，支座稳定系数均大于2.5，满足规范4.1.8条文2的要求。

4.2 倾覆特性分析

通过分析模型验算结果，影响小半径现浇箱梁抗倾覆性能的因素包括：支点横向间距及平曲线半径等因素，其中：

1. 增大支座横向间距，能降低汽车荷载偏载作用引起的支座负反力，提高箱梁桥的抗倾覆性能；

2. 曲线半径增大，箱梁弯扭耦合效应变小，抗倾覆性能提高。

5 倾覆防控措施

针对抗倾覆验算的分析结论，小半径现浇箱梁的倾覆防控措施可分别从改变结构破坏模式、提高结构稳定性等方面考虑：

1. 跨中独柱单支座桥墩改造为墩梁估计，如图7所示。这种措施改变了结构受力体系，仅适用于高墩，需要满足强度要求；

图7 改变结构形式

2. 增大支座间距，中墩为独柱墩，墩顶设置抱箍或增设墩柱，单支座改造为多支座，如图8所示。这种措施未显著改变受力体系，但通过改造桥墩提高抗倾覆性能。

图8 单支座改造为多支座

3. 设置限位构造、抗拔装置，如图9所示。这种方法提供冗余约束，防止支座脱空，但不提高抗倾覆性能。

图9 增加抗拔装置

6 结束语

支座脱空是梁体倾覆的开始，但支座脱空并不一定发生倾覆破坏。支座一旦脱空，梁体转动引起结构的几何非线性效应不可忽视。倾覆是极端偏载下，梁体转动引起支承体系强度破坏最终造成的结构失效。在控制倾覆风险时，一方面也要关注支座压力储备。

本文依托海启高速已建成桥梁开展抗倾覆验算，分析小半径桥梁稳定性，这对于确保结构安全性，行车稳定性和社会经济性，具有非常重要意义。

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 3362-2018）

[2] 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范应用指南》

[3] 石雪飞.《采用有限元模型，分析倾覆过程及机理》

[4] 广东省高速公路独柱墩连续箱梁横向稳定验算指导原则及处理措施.

作者简介

胡敬梁（1990年9月），男，汉族，山东东阿，硕士研究生，工程师，研究方向：桥梁工程。