独柱墩抗倾覆验算专题

技术中心：郑伟

独

柱

墩

抗

倾

覆

验

算

专

题北京迈达斯技术有限公司目

录1234

倾

覆

事

故

特

征

规

范

验

算

说

明

验

算

模

型

要

点CDN

抗

倾

覆

验

算Ⅰ.

倾

覆

事

故

特

征事

故

现

场Ⅰ.

倾

覆

事

故2007年-包头市民族东路高架桥2012年-哈尔滨阳明滩匝道桥2011年-绍兴上虞春晖互通立交桥2015年-粤赣高速城南互通C匝道桥2021年-武黄高速与大广高速互通引桥段2020年-无锡312国道锡港路上跨桥序号日期桥名伤亡原因12007.10包头市民族东路高架桥4伤三辆半挂牵引重型货车，鱼贯行驶22009.7津晋高速C匝道桥6死4伤三辆严重超载货车在匝道桥上靠右密集停车42011.2绍兴上虞104国道春晖立交桥3伤四辆满载货物的货车先后上匝道，最前面运棉籽的货车抛锚检修，后3辆运煤车从右侧超越52012.8哈尔滨阳明滩大桥匝道桥3死5伤四辆货车都超载300%，同时集中靠右侧行驶62015.6粤赣高速城南互通C匝道桥1死4伤四辆大货车超载，鱼贯行驶72019.10无锡312国道锡港路上跨桥3死2伤两辆重型平板半挂车严重超载且间距较近（160t/32t、超载400%；160t/29t、超载455%）82021.12鄂州武黄高速与大广高速互通引桥段4死8伤三辆货车同向行驶，其中一辆是大件运输车，重达190t，超载400%Ⅰ.

倾

覆

事

故事

故

原

因这些桥梁在结构类型、事故原因和破坏特征上基本相同：

1）发生倾覆事故的桥梁基本采用整体式截面——箱型截面，采用联端横向双支座（抗扭支座）+联中横向单支座（点铰支座）的支承体系；

2）发生倾覆事故的原因为偏心荷载作用，或结构的支承体系失效，或两者共同作用，在已发生的箱梁桥倾覆事故中，重载车辆的偏载作用尤为突出；

3）事故中结构破坏无明显预兆、猝然发生、危害极大；事故后主梁、桥墩的整体性能基本保持良好。Ⅰ.

倾

覆

事

故事

故

特

征混凝土箱梁

津晋高速

C

匝道桥钢箱梁粤赣高速城南互通C匝道桥

参照结构倒塌机理分析采用的有限元分析，国内学者建议采用考虑接触非线性和几何非线性的有限元模型，分析重载车辆作用下箱梁桥倾覆机理，但未提出统一的倾覆破坏模式。

按照《工程结构可靠性设计统一标准》（GB

50153-2008）条文4.1.1规定，箱梁桥的倾覆破坏形式为“整个结构或其一部分作为刚体失去静力平衡”，属于承载能力极限状态的验算范畴。

国内外相关规范基本采用“支反力”和“刚体受力平衡”进行倾覆稳定性验算，箱梁匝道桥的抗倾覆性能套用这两项验算要求时，存在下列问题：

a）忽略了倾覆过程中箱梁、支座和墩台的相互作用；

b）忽略了箱梁的弯剪扭复合受力状态；

c）忽略了传统倾覆稳定计算方法的适用条件。Ⅰ.

倾

覆

事

故倾

覆

验

算

现

状Ⅰ.

倾

覆

事

故倾

覆

轴

概

念的问题/s/HboG8qbAxE-uoC_2OL-4wg

阴影部分为车辆作用的不利区域（倾覆力矩区域）

非阴影部分为恒载产生的有利区域（稳定力矩区域）

按倾覆轴概念，弯桥和独柱墩的抗倾覆反而更好

规范验算抛开倾覆轴概念，验算结果更为不利Ⅰ.

倾

覆

事

故支反力按矢量计算的问题

1）将各支承截面处的恒载和活载产生对应的力矩分别求和时，

力矩矢量都是平行于梁轴线切线方向的；

2）对于直线桥，梁轴线为直线，力矩矢量方向都相同。但对

于曲线桥，梁轴线为曲线，力矩矢量方向是处处变化的；

3）各力矩是相对于不同的轴线取矩的，把不同方向且对不同

轴线的力矩直接进行标量求和，所得结果没有确切的力学意义；

4）如果要准确计算出稳定效应和失稳效应，需要引入倾覆轴

的概念，分别计算稳定作用和倾覆作用对倾覆轴的力矩，这样

显然会使计算变得很复杂，增加很多工作量。

规范验算抛开矢量计算，按有效支座到

失效支座的间距来计算。

/s/e3EdX9-oQ4-FMe02Of7JIQⅡ.

规

范

验

算

说

明Ⅱ.

规范验算说明18

混

规

的

验

算

条

文

特征状态1验算

OK

特征状态2验算NGNG

OK桥梁结构抗倾覆性能验算通过正常状态箱梁翻转箱梁滑移支座挤出桥墩断裂

……某一单向受压支座脱空

特征

状态1整联箱梁抗扭支座失效

特征

状态2无非线性单向支座依次持续脱空边界非线性

箱梁变

形发散几何非线性

特征状态1验算

规范原文：在作用基本组合下，单向受压支座始终保持受压状态。

1.0×永久作用

+

1.4×（1+u）汽车荷载

+

1.05×其他可变作用Ⅱ.

规范验算说明18

混

规

的

验

算

条

文

常见的永久作用恒载、预应力、收缩徐变、沉降

常见的可变作用汽车荷载、人群荷载、温度作用

车道荷载

+

冲击系数抗倾覆验算属于承载能力极限状态验算，为整体效应验算，应选用车道荷载，并考虑冲击系数；

Ⅱ.

规范验算说明

特征状态2验算18

混

规

的

验

算

条

文

按标准值进行组合

标准组合

所有荷载的分项系数取1.0

横向抗倾覆稳定系数

k=2.5综合考虑该简化分析方法的偏差系数和实际车辆密集排布情况下汽车荷载效应的放大系数规范原文：按作用标准值进行组合时（按本规范第7.1.1条取用）

并发反力Ⅱ.

规范验算说明18

混

规

的

验

算

条

文

Civil中的永久作用

恒荷载

钢束一次、二次

收缩徐变一次、二次

支座沉降

Civil中的可变作用

汽车荷载（计入冲击系数）

人群荷载

整体升降温

梯度升降温Ⅲ.

验

算

模

型

要

点Ⅲ.

验算模型要点工

程

案

例

介

绍四跨预应力混凝土连续箱梁，1号墩~3号墩为独柱墩；跨径布置：

30m+2×35+30m

；主梁全宽12m，单箱双室截面。Ⅲ.

验算模型要点CAD

导

入

生

成

节

点

单

元绘制单位用mm，导入注意单位；

建立图层，按不同线段进行区分；将线段左端移到CAD坐标原点；另存为DXF文件-04版本；对于曲线桥，需以直代曲。注意事项Ⅲ.

验算模型要点边

界

条

件典型连续梁桥-支座布置原则

保证梁体不能发生刚体位移

允许梁体沿横桥向、纵桥向自由变形单向可动支座

固定

支座双向可动支座单向可动支座双向可动支座单向可动支座双向可动支座单向可动支座

可以查看仅自重作用下的结构弯矩和位移，

来判断边界条件是否模拟正确

单柱墩虽为单点支承，但不要约束Rx静力荷载工况荷载类型数值荷载组分类自重施工阶段荷载Z=-1.04自重施工荷载端横梁施工阶段荷载-102kN/m自重桥面铺装施工阶段荷载-20kN/m二期防撞栏杆施工阶段荷载-10kN/m、偏心5.75m二期预应力施工阶段荷载1395Mpa预应力整体升温温度荷载20°C默认值使用荷载整体降温温度荷载-20°C默认值梯度升温温度梯度T1=14°C/T2=5.5°C默认值梯度降温温度梯度T1=-7°C/T2=-2.75°C默认值支座沉降--10mm-收缩徐变-3650d-Ⅲ.

验算模型要点定

义

荷

载Ⅲ.

验算模型要点生

成

钢

束

形

状数据对称输入钢束形状控制点Ⅲ.

验算模型要点定

义

移

动

荷

载仅考虑偏载即可

将所有支座的下节点编成

结构组，定义并发反力组Ⅲ.

验算模型要点

建立Civil验算模型的注意事项：

1、需要输入钢束

2、定义施工阶段

3、所有支座下节点编成结构组

4、定义并发反力组

建

模

总

结1、钢束二次属于永久作用，对支反力分配有影响2、做验算，程序通过施工阶段来区分恒荷载和使用荷载3、同时需要注意所有支座节点需要在施工阶段中激活4、验算时各支反力，取汽车荷载对各支点产生的并发反力钢束二次钢束一次为结构抗力，钢束二次为结构效应(次内力)𝜸𝑺

≤

𝑹Ⅳ.

CDN

抗

倾

覆

验

算CDN

设

置

流

程Civil跨度自动读取荷载组合必须在CDN中生成12Ⅳ.

抗

倾

覆

验

算

3456预应力构件选PSCCDN

设

置

流

程

定义的目的：

选择永久支座的节点，并分配给对应的墩台；

支持自动提取的边界信息，并添加所有的墩台；

“用户输入反力结果”

勾选则表格中（永久作用RGk、可变作用RQk、

Li）结果亮显，用户可以根据由其他途径得到的

上部结构反力对表格进行填写；

“左倾斜角αl”、“右倾斜角αr”

默认为90度，表示每个桥墩处支座横向连线与纵梁结构线垂直布置（即正交桥），如果为斜交桥，用户可根据实际情况修改此斜交角度值。横向抗倾覆稳定性系数[k]默认为2.5（公路桥），铁路桥取值与墩台材料、主力/主力附加组合有关，参考17铁混规条文5.2.2，用户可自行修改Ⅳ.

抗

倾

覆

验

算对于每个桥墩而言，支座节点从上到下即为定义从“左”到“右”此处会影响抗倾覆稳定系数验算中的左右倾

特征状态2-抗倾覆稳定系数验算Ⅳ.

抗

倾

覆

验

算

特征状态1-支反力验算查

看

验

算

结

果

特征状态1验算

OK

特征状态2验算NGNG

OK桥梁结构抗倾覆性能验算通过Ⅳ.

抗

倾

覆

验

算

特征状态1-支反力验算倾覆4

1827.5019

1827.5019

7167.6224

9039.7759

7167.8707

1827.4345

1827.4345

倾覆81844.1413

443.77806783.28998639.81786783.53821844.0740

443.7105

倾覆91993.8926593.529196402.6353

8802.1226402.88361993.8252593.46173输出最小值

1827.5019

443.7780

6402.6353

8639.8178

6402.8836

1827.4345

443.7105

调取组合倾覆4倾覆8倾覆9倾覆8倾覆9倾覆4倾覆8调取法二倾覆4倾覆8倾覆9倾覆8倾覆9倾覆4倾覆8手

动

校

核

验

算

结

果

CDN验算结果节点号恒荷载钢束二次徐变二次收缩二次

整体升温整体降温梯度升温梯度降温左偏-max左偏-min沉降-max沉降-min861459.2828472.48202.73630.0036-0.00340.003495.0756-47.53781923.32830.000080.8913-80.8900871459.2828472.48202.73630.0036-0.00340.003495.0756-47.5378290.4793

-1000.259680.8913-80.8900888990918696.42248348.95718696.42241459.2828-1459.6374

1029.2343-1459.3909

472.4151-14.8792

18.8125-14.8774

2.7358-0.0260

0.0376-0.0260

0.0036

0.0237-0.0338

0.0237-0.0034-0.0237

0.0338-0.0237

0.0034-241.6538

103.0052-241.6538

95.0756120.8269

-51.5026120.8269

-47.53782242.70002260.18882242.70001923.3283-244.3106-298.5685-244.3106

0.0000446.8977570.2302446.8977

80.8913-446.8965-570.2293-446.8965

-80.8900921459.2828472.41512.73580.0036-0.00340.003495.0756-47.5378290.4793

-1000.259680.8913-80.8900切换到最后施工阶段，查结果表格切换到PostCS，查结果表格手

动

校

核

验

算

结

果Ⅳ.

抗

倾

覆

验

算

特征状态2-抗倾覆稳定系数验算87最不利节点号永久作用可变作用

支座间距Li稳定弯矩失稳弯矩86871853.61361853.6136-47.5412-47.541211863.1270-304.26388889907668.77778826.81157669.0261120.8506

-51.5364120.8506---91921853.54621853.5462-47.5412-47.541211862.6958-304.2638同侧失效Σ23725.8229-608.527587与92ki38.98896.46.4倾覆1487最不利节点号永久作用可变作用

支座间距Li稳定弯矩失稳弯矩86871853.61361853.6136

1019.3188-1047.801211863.1270-6705.92788889907668.77778826.81157669.02612034.22061241.20361101.6186---91921853.54621853.5462

985.5488-743.754211862.6958-4760.0270同侧失效Σ23725.8229

-11465.954787与92ki倾覆182.06926.46.4Q：为什么有时候CDN输出的左右倾倾覆方向，与Civil的支座编号相反？A：CDN倾覆验算参数表格中，自动生成功能按照每个桥墩定义一组支座节点，这里也是控制“左-右倾”的控制项；

对于每个桥墩而言，支座节点从上到下即为定义从“左”到“右”，与单元坐标轴无关！4、收缩徐变二次，变形引起的次内力，无变形；5、沉降、左偏按照max、min、all输出；6、支反力验算，选取min为最不利；7、CDN按照最不利组合来输出结果。

验

算

总

结1、JTG

D62-2004混规不包含抗倾覆验算项2、让程序判断出墩台位置，可以读取Civil跨度信息3、Civil无法生成倾覆组合，必须在CDN中重新生成4、让程序考虑永久支座节点及墩台位置，并读取支反力

抗倾覆稳定系数验算要点：

1、沉降和移动荷载取min，且考虑并发反力；

2、永久作用：恒荷载、钢束二次、收缩徐变二次、沉降；

3、可变作用：整体升降温、梯度升降温、移动荷载；4、倾覆弯矩和失稳弯矩计算，同侧支座考虑为失效支座；5、当失稳弯矩为正值时，不会失稳，程序输出9999；6、当模型只设置单侧偏载时，对侧支点的倾覆弯矩只有温度等可变作用下的弯矩值。Ⅳ.

抗

倾

覆

验

算

CDN设计设置的注意事项：

1、选择JTG

3362-2018

2、定义跨度

3、生成倾覆荷载组合

4、定义倾覆验算参数

支反力验算要点：

1、结果表格中可以输出所有荷载的支反力；

2、钢束一次为抗力，钢束二次为效应；

3、收缩徐变一次，结构自发变形，无内力；拓

展

部

分拓

展

部

分单柱墩的加固方案

一：边墩设置抗拔约束支座

通过在边墩设置抗拔装置，避免因边支座的脱空而改变结构体系，增强横向抗倾覆性能方案优点：抗拔销装置构造简单，工程规模较小，施工方便，几乎不影响桥上正常交通；方案缺点：不利于活载工况，抗拔销受力大，构造设计难度大；仅在所需拉力较小的情况下适用。拓

展

部

分单柱墩的加固方案

一：边墩设置抗拔约束支座

通过在边墩设置抗拔装置，避免因边支座的脱空而改变结构体系，增强横向抗倾覆性能法一：直接在边支点约束Rx，是错误的！拓

展

部

分单柱墩的加固方案

一：边墩设置抗拔约束支座