偏载作用下箱梁桥抗倾覆稳定问题的探讨_庄冬利

1、.偏载作用下箱梁桥抗倾覆稳定问题的探讨_庄冬利 桥梁建设总第年第卷第期（期） ，），（）文章编号： 偏载作用下箱梁桥抗倾覆稳定问题的探讨 庄冬利 （）同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 摘要：近年发生数起箱梁桥在重载车偏载作用下倾覆倒塌的事故，引起了人们广泛的关注。 通过对比国内外桥梁设计规范，并对某桥案例进行了分析，提出箱梁桥抗倾覆稳定设计的建议和值 得研究的问题：偏载作用下的多跨连续梁桥将产生梁体扭转变形，在确定抗倾覆稳定系数时，将弹 性体问题采用刚体的计算方法是不正确的；桥梁设计中应综合考虑桥梁竖向强度的可靠指标，确定 合理的横向整体倾覆稳定系数，避免横向整体倾覆失稳先于竖向强

2、度破坏；桥梁橡胶支座的橡胶为 超弹性体材料，应对箱梁桥倾覆过程中支座的受力性能和支座与箱梁间的相互作用进行深入研究。 关键词：箱梁桥；重载车；偏载；倾覆；稳定系数；可靠指标；橡胶支座 中图分类号：；文献标志码： （），）（， ： ， ， ， ， ， ：； ； 引言 自年月日内蒙古自治区包头市民 族东路高架桥桥面发生倾斜倒塌后，国内又发生了 数起箱梁桥在多辆重载车偏载作用下倒塌的事故（），图造成了重大的人员伤亡和经济损失并引发了极其恶劣的社会影响。事故的最终原因大多归结于车辆超载、超限所致，此类事故的接连发生也引起桥梁专业人士的讨收稿日期： ：作者简介：庄冬利，工程师，桥梁设计与检测。研究方向：

3、 桥梁建设（）， 。发生上述事故的桥梁大多有以下共同论和深思 点：整体式箱形梁桥；直线桥或平曲线半径较大；重载车靠行进方向右侧边缘行驶或停留；采用了独柱墩单支点设倒塌桥梁大多是长桥， 计，端横梁处双支座间距较小；破坏形式表现为整体倾斜倒塌。 目前国内研究和事故分析中将此类问题归结为抗倾覆稳定问题，将破坏形式简单地描述为绕理想的 ，倾覆轴旋转倒塌但没对以下问题进行深入研究： 倒塌过程及其破坏机理；破坏过程中橡胶支座 ；支座与箱梁间的相互作用的受力性能、传统抗 倾覆稳定计算方法的适用条件和适用范围。 现行公路桥梁设计规范中对于该问题的要求处铁路桥梁规范中要求结构的横向倾覆稳定于空白； 系数不应小于

4、或。由于铁路桥梁与公路桥梁（在车道数、行车轨迹、结构抗扭刚度、结构城市桥梁） 因此采用铁路规范中的自重等方面存在诸多差异， 条文和系数在公路桥梁（或城市桥梁）设计中能否适 。用值得探讨 国内桥梁设计过程中往往重视结构竖向的强度而忽视偏载作用下结构横向抗倾覆稳定问设计， 。从近几次事故中也可看出桥梁结构强度的安题 全系数明显高于横向倾覆稳定的安全系数，因此采用相同的设计活载对桥梁结构进行强度验算和抗倾能否保证结构安全同样值得探讨。覆稳定验算， 国内外相应设计规范国内外的桥梁规范中，对于结构横向倾覆失稳问题均没有明确的定义，对此类问题的要求也不同，如表所示。 图偏载作用下桥梁倒塌事例 中国公路桥梁

5、规范和铁路桥梁规从表可知， 范均引入了按照刚体方法计算的抗倾覆稳定系数，公路桥梁规范意见稿中考虑密集车列的工况， 表国内外桥梁规范条文要求对比 规范 中国公路桥梁规范 （）意见稿中国铁路桥梁规范（）美国桥梁规范 （）， 日本道路桥示方书 条文要求 （）上部结构抗倾覆稳定系数； （）单向受压支座不应处于脱空状态 （）在计算荷载的最不利组合作用下，桥跨结构的横向倾覆稳定系数 ；（）板式橡胶支座最小压应力应（）在任何极限状态下，有发生脱空倾向的支座应采用拉杆或锚具约束住；（）多向活动支座不适用于竖向支反力小于支座竖向承载能力的位置；（）支反力小于竖向承载能力的支座要求特殊设计支座负反力采用下式计算：

6、 备注 为抵抗力矩标准值； 为倾覆力矩标准值 为抵抗力矩；为倾覆力矩 为恒载支反力； 为活载最大负反力；为风荷载最大负反力 偏载作用下箱梁桥抗倾覆稳定问题的探讨庄冬利 表偏载作用下支反力计算值 汽车活载工况设计汽车活载密集车列事故车列 支反力恒载活载最大 支反力负反力恒载倍活载恒载倍活载 将系数定义为美国桥梁规范明确了多向活动；支座的最小竖向力不应小于其承载能力的这，与中国铁路桥梁规范中板式橡胶支座的要求基本相但前者更为全面；日本桥梁规范中在计算支座负同， 反力时活载效应取用倍的系数。 实例分析与对比 某直线匝道桥跨径布置为×宽，度为；端横梁设置双支座，支座间距为，中横梁处为单支座，

7、桥型结构为六跨等截面钢筋混设计荷载等级为公路级，如图凝土连续梁桥， 所示。该桥在辆重型货车偏载作用下发生倒塌事，故，经实测辆货车重量分别为总，。重为 计算的截面最大弯矩如表在对称荷载作用下， 由表可知：在单列密集所示，车列和事故车列的作用下，截面的最大正、负弯矩值均与设计活载作用下的结果相当，并且组合值均小于截面抗力。 表对称荷载作用下弯矩计算值 汽车活载工况设计活载（两列） 最大正弯矩· 组合值截面抗力 最大负弯矩·组合值截面抗力 密集单列）车列（ 事故车列（单列） 图某桥平面及上部结构横断面布置示意 此时将本例桥梁端横梁支座间距调整为， 汽车活载作用线位于两支座间，其按

8、照刚体进行计算的抗倾覆稳定系数为，计算的偏载作用下支座反力如表所示，由表可知支座活载负反力大幅减小，即使在密集该支座也不车列作用下，脱空。 表支座间距为时偏载作用下支反力计算值 汽车活载工况设计汽车活载密集车列事故车列 恒载活载最大 支反力负反力 支反力 恒载活载 恒载倍活载 在公路级、密集车列和事故车列种荷载工况作用下，按照刚体方法计算的抗倾覆稳定系数结果如表所示。从表中数据可知，设计活载作用下，该桥的抗倾覆稳定系数达到并且，在密集车列或事故车列的作用下此系数也均在而且事故车列的总重量小于密集以上，）。车列的重量（ 表抗倾覆稳定系数计算值 汽车活载工况设计汽车活载 密集车列事故车列 抵抗力矩

9、· 倾覆力矩 · 抗倾覆稳定 系数 根据上述分析结果可知： （）按照刚体计算的抗倾覆稳定系数将倾覆失稳破坏形式描述为刚体绕转动轴的旋转，忽视了实梁体过大的扭转际桥梁结构为弹性体的客观因素； 角不仅导致一侧支座脱空，而且增大了另一侧支座的切向力，直至梁体滑落；因此即使设计汽车活载作用下其按照刚体计算的稳定系数大于也不能保，证在密集甚至车列作用下发生支座脱空现象，在事故车列作用下发生倒塌。 （）事故桥梁为小跨度连续梁结构，在单列密集最大弯矩车列或事故车列活载工况作用下， 采用弹性体空间梁单元有限元模型进行分析， 计算的端横梁处支座反力如表所示。由表可“知：虽然设计活载作用下，恒

10、载倍活载”工况下支座不脱空，但密集车列或事故车列的作用下，负支反力结果达到对于左右。因此，连续梁桥受偏载作用下扭转变形的影响，即使在刚体抗倾覆稳定系数达到的情况下也不能避免支座的脱空。 组合值也没能超过截面的抗弯承载力。 桥梁建设（）， 转变形，在确定抗倾覆稳定系数时，将弹性体问题采用刚体的计算方法是不正确的。现阶段设计中采用弹性体空间计算模型，计算支座恒载反力与活载最大竖向负反力的比值作为抗倾覆稳定系数更为合理，对于一般城市桥梁或交通量小的桥梁可取，对于高等级公路桥梁或重载交通的桥梁可取及以上。 （）建议针对桥梁不同的限载标准，制定合理 的车列模型用于横向整体倾覆稳定性的验算。桥梁确定设计中

11、应综合考虑桥梁竖向强度的可靠指标，合理的横向整体稳定系数，避免横向整体倾覆失稳先于竖向强度破坏。 （）桥梁橡胶支座的橡胶为超弹性体材料，建 议对箱梁桥倾覆过程中支座的受力性能和支座与箱梁间的相互作用进行深入研究，为制定合理的结构横向整体稳定系数和对在役桥梁的评估与加固提供技术支持。设计中应限制梁体的扭转角，并采取可避免梁体的倾斜滑落。靠的横向限位措施， ）增大支座间距，（可以大幅提高结构的抗倾 覆稳定性能。 有待进一步研究的问题与建议 以往的箱梁桥抗倾覆稳定方面主要存在如下问题：忽将弹性体问题采用刚体问题的计算方法，略了梁体的弹性扭转变形。偏载作用下，梁体发生扭转变形，橡胶支座处于偏压状态，设

12、计标准中没有对梁体扭转角进行控制。一些桥梁缺少避免横向滑落的构造措施或其措施过于薄弱。 倾覆失稳不是第一类稳定问题，而是第二类稳定问题。笔者认为有以下方面可进一步地深入研实际车辆荷载以及桥梁究：汽车活载设计标准、限载标准间存在诸多差异，三者间的关系也较为复而桥梁结构的抗倾覆稳定问题不同于结构强度杂； 有其自身的特点，因此应针对桥梁不同的限载问题， 标准制定合理的车列模型用于抗倾覆稳定性的验，算。侧向倾覆失稳属于“脆性破坏”其可靠指标 ，应高于竖向强度验算时采用的可靠指标应根据 设计荷载标准研究确定合理的桥梁结构抗倾覆稳定设计方法及其规范限值。桥梁橡胶支座采用的 ，橡胶为超弹性体材料研究箱梁桥倾

13、覆过程中支 ）：参考文献（ 马利君独柱支撑匝道桥抗倾覆验算汽车荷李盼道， （）：载研究桥梁建设， （， ，（）：）， 公梁峰三跨独柱连续梁桥抗倾覆能力研究 （）：路， （ ，）：），（刘世忠，张慧，等独柱曲线刚构匝道桥抗刘飞， 倾覆稳定试验研究兰州交通大学学报，（）： （， ，：，（） 戴公连，吴建武单柱宽幅连续梁桥横向倾覆袁摄桢， （）：稳定性探讨中外建筑，（， ，：，（） 支座与箱梁间的法向支撑作用和切座的受力性能、 ，向摩擦作用对于确定平衡点的极限状态方程具 有重要的意义。 对于现阶段箱梁桥侧向抗倾覆稳定的设计建议如下：计算支座恒载采用弹性体空间计算模型，反力与活载最大竖向负反力的比值作

14、为抗倾覆稳定系数，该方法概念更加明确。此系数对于一般城市桥梁或交通量小的桥梁可取对于高等级公路，桥梁或重载交通的桥梁可取及以上。在设计活载偏载作用下，限制梁体的扭转角不超过支座容许的最大转动角度。高等级公路桥梁或重载交通的桥梁中，避免采用多跨连续独柱墩单支座的结构形式。桥墩支座处采取可靠的横向限位措以避免梁体的倾斜滑落。施， 小结 偏载作用下箱梁桥结构横向整体倾覆失稳属于是脆性破坏、瞬间发生的，一旦发第二类稳定问题， 生所造成的损失是惨重的。本文通过对国内外桥梁设计规范对比和案例分析得出以下结论和建议： （）偏载作用下的多跨连续梁桥将产生梁体扭 偏载作用下箱梁桥抗倾覆稳定问题的探讨庄冬利 ） 武宏晓连续独柱墩桥梁抗倾覆安全评价及加固设计 （）：方案城市道桥与防洪，（，）：，（ ） 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥， 涵设计规范（征求意见稿） （， ）（ 铁路桥涵设计基本规范， （， ） 共通編）日本道路協会道路橋示方書·