单柱宽幅连续梁桥横向倾覆稳定性探讨ＤｉｓｃｕｓｓｔｈｅＰｏｓｔ袁摄桢Ｗｉｄｅ戴公连ＯｒｉｅｎｔａｔｉｏｎＯｖｅｒｔｕｒｎＳｔａｂｉ¨ｔｙｏｆＳｉｎｇＩｅＣｏｎｔｉｎｕｅｄＧｉｒｄｅｒＢｒｉｄｇｅＬａｎｄｓｃａｐｅＳｈｅｚｈｅｎ吴建武ＹＵＡＮＤ剐ＧｏｎｇＩｉａｎＷＵＪｉａｎｗｕ摘要：通过对单柱宽幅连续梁桥横向倾覆事故的４．１．１条的条文说明：检算倾覆稳定性时，可将支座看成是刚体，稳定力距及倾覆力矩沿横向指对支座边缘（图２中的Ａ点和Ｂ焦｝而言，沿纵向指对支座铰中心（图２中的毅点）而言，计算公式如下：中３．５．８条和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（ＪＴＧＤ６２—２００４）中９．７．４条中均只有禁止支座脱空的描述。可见我国现行的公路桥梁规范对横向倾覆稳定性没有相关的规定，处于空白状态。２．３计算横向倾覆稳定性时现行公路和反思，发现现行公路桥涵规范在这方面的不足；采用空间剪力柔性梁格法对工稃实例进行建模计算，探讨与横向倾覆稳定性相关的要素．提出横向倾覆稳定性系数计算的简化方法，并进行初步的验证。关键词：单柱宽幅连续梁桥ｉ横向倾覆稳定性系数ｙＭｄ趾笋丽纠３中图分类号：ＴＵ４４８．２１＋５文献标识码：Ｂ文章编号：１００８一０４２２（２００８）０７—０１５４—０４（１＿１）铁路桥规的不足之处由于现行的公路桥规在横向倾覆稳定性方面处于空白，所以在遇到相关的问题的时候只能参照铁路桥规的相关规定。将铁路桥规的抗倾覆条文应用于公路桥梁，有以下几Ｍｄ：稳定力距，Ｍｑ：倾覆力距２．２现行公路桥梁规范在倾覆稳定性以及支座脱空方面的描述１前言《公路桥涵设ｔｎ蓖用规范》‘Ｊ丁ＧＤ６０—２００４）单柱宽幅圆弧形截面连续梁桥由于其截面形式的流畅、独柱墩占用桥下空间小、整体结构美观而受到青睐，广泛应用于城市高架桥梁。但由于其截面下缘有部分弧线、且独柱墩墩项较窄，使得同一墩顶支座布置的横向间距不大，对结构抗横向倾覆稳定非常不利（图１）。‘２００７年１０月２３日晚２３时许，三辆半挂牵引重型货车和一辆轿车由南向北行驶至包头市民族东路高架桥上时，桥面突然发生倾覆，造成桥下铁路专用线中断。这次事故为我们桥梁工程师敲响了警钟。本文以长沙大道改造工程中的单柱连续梁桥为例，对其横向倾覆稳定性结进行空间分析。结合空间分析结果，提出对此类桥的结构形式设计的建议和横向倾覆稳定性系数计算的简化方法。图１丹拉高速高架桥倾覆事故现场照片图２桥跨结构稳定性检算示意图２现行规范中有关横向倾覆稳定性的检算方法２．１现行铁路桥梁规范横向稳定性的检算方法＜铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（ＴＢｌ０００２３—２００５１中的４．１．１条对横向倾覆稳定性检算的规＾匕：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不应小于１．３。图３工程实例桥标准横断面及车辆横向偏载加载位置图作者筒介：袁摄桢（１９８３一），男，湖南长沙人，中南大学土术建筑学院桥梁工程系硕士研究生。１５４万方数据 一●●一，｜２６４，２７２２０３／２ｌｌ多≯《《务ｐ《（｝．Ｌ＿２掰／２汐莱格单元轴或图４梁格划分，车道加载及支座节点编号示意图表１相同支座横向间距下不同荷载工况的倾覆稳定系数节点号偏载工；ｉ＼、、、一工工工况况况二三工况四２０３１１２０５２０７２０９２＂２６４２６６２６８２７０２７２３２２２３２２弘∞∞２．４６１的骝∞２孔箱∞２引Ｍ似２．１４∞∞鹞１．３８丝侣他纠Ｂ届５．２５弘扪｛；；刚鸽伯１０．０６趁亿亿５刚鹅７．１３弭引∞刚勰俘１０．０６执他他加届Ｂ５．２５１．３８２．４６点不足之处：１）铁路桥梁上车道少，车道位置固定：公路桥梁车道数较多，由于其车道设置比较宽１３．０～３．７５ｍ），而行驶车辆宽度相对较窄，在交通拥堵时原来设置的车道内将涌入比原来预计更多排的车辆，偏载情况更加严重。２）铁路桥梁宽度窄，梁高大，道渣和铁轨的自重较大，这些对抗倾覆有利：公路桥梁截面形式扁平，自重低，对抗倾覆不利。３）城市高架桥由于美观需要及桥下空间的而设置独柱墩，墩顶支座横向间距小。按照铁路桥规的横向倾覆稳定性检算方法能通过，不能保证不会发生局部支座脱空的情况。４）铁路桥规中的倾覆稳定系数为１．３，我们可以将其理解为汽车偏载时超载时３０％倾覆力矩达到临界值。在现阶段汽车超载现象十分严重，只考虑超载３０％偏不安全。５）铁路桥规中的倾覆稳定性规定和检算方法并没有简支梁桥和连续梁桥的区别。用Ｃ５０砼，下部结构采用Ｃ３０砼。双向四车道，设计荷载为：城市一Ａ级。桥墩采用单柱宝瓶式桥墩，墩顶支座设计横向中心间距３．１５—２．７０ｍ，桥梁标准横断面如图３所示：３．２有限元模型的建立本文采用空间有限元程序Ｍｉｄａｓ建立空间梁格模型进行分析。以顺桥向为×轴，横桥向为Ｙ轴，梁高竖直方向为Ｚ轴建立坐３工程实例标系。空间梁格模型中的纵向梁截面均按工程实际尺寸并考虑翼缘的有效宽度，为保持变形的协调在梁两边缘建立两道虚拟的纵梁。横向梁截面在横梁处按实际尺寸。横梁１５５３．１工程概况本工程实例为４×３０ｍ跨径布置的等截面现浇预应力混凝土连续梁桥，上部结构采万方数据 表４工况二下不同Ｄ值倾覆稳定系数减小幅度Ｄ；２．７ｍＤ＝３．０３ｍＤ＝３１５ｍ表５工况二下嗍．１５ｍ墩梁固结前后倾覆稳定系数对比厂ＤｆＵ巨一飞一］一，一Ｄｑ、早Ｄｄ今Ｊ图５横向倾覆稳定性简化算法示意图问布置虚拟横梁，截面取桥面板厚的“二”字截面。汽车活载偏载利用Ｍｉｄａｓ的车道偏载功能按照城一Ａ荷载标准考虑一至四车道的偏载情况，从中找出最不利的情况。梁格有限元模型及车道加载位置情况如图４所示：３．３计算结果为防止桥梁的横向倾覆，在车道偏载的最不利情况下首先必须保证每一个支座都不脱空，即在自重和二恒作用下支座的正向支反力组合值与车道偏载最不利情况下的负向支反力组合值的比应大于一定的稳定系数１．３。所有荷载效应的组合系数按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（ＪＴＧＤ６２—２００４）中４．１．６条对承载能力极限节点倾覆稳定系数更具现实意义。节点２０３～２１１的倾覆稳定系数在一车道偏载时由表４可知，本工程实例当汽车活载采用城Ａ一２０代替城Ａ一１５０代八有限元模型计算，其横同倾覆稳定系数减小２３．６６％。４２．１３％，已经小于【１．３】，可见汽车超载达到某种程度后可以使本工程实例发生横向倾覆。在桥梁的实际使用过程中汽车的超载情况是没有预估的，因此采用墩梁固结是最最大，其余偏载荷载工况时都相同，可见两车道偏载的荷载工况是横向倾覆稳定的最不利荷载工况。３．３．２横向倾覆时支座横向间距Ｄ的临界值工程实例中满足支座布置几何尺寸要求的最小支座横向间距为３．１５ｍ，我们从３．１５ｍ开始以０．１５ｍ为步长把支座的横向间距Ｄ递减，经计算对比出荷载工况二下横向倾覆时支座横向间距Ｄ的临界值（见表２）。横向倾覆稳定系数随着支座横向间距的减小而降低，经计算得到本工程的横向倾覆支座横向间距临界值为３．０３ｍ。３．３．３考虑汽车超载对本工程实例横向倾覆稳定性的影响汽车活载是影响本工程实例横向倾覆稳定性的关键因素，在计算中必须考虑汽车超载的情况。（城市桥梁设计荷载标准＞（ＣＪＪ７Ｌ９８）规定的城Ａ级车道荷载，【城Ａ一２０】当跨径为２—２０ｍ时车道荷载均布荷载标准值比【城Ａ一１５０】当跨径为２０～１５０ｍ时大很多，可以采好的解决横向倾覆稳定性的途径。３．３．４墩梁固结对本工程实例横向倾覆稳定性的改善本工程实例在—联跨中墩处设置墩梁固结。根据表５结果分析在设置固结墩后２０３，２１１号支座节点的倾覆稳定系数增大，而２０５，２０９号支座节点的倾覆稳定系数减小，使结构体系的支座节点的倾覆稳定系数大小趋于均匀。可见，设置墩梁固结对本工程实例横向倾覆稳定性有利。状态基本组合荷载效应系数的规定。３．３．１车道偏载的最不利荷载工况荷载工况一：自重二恒和一车道偏载。荷载工况二：自重二恒和两车道偏载。荷载工况三：自重二恒和三车道偏载。荷载工况四：自重二恒和四车道偏载。（以上偏载布置见“工程实例桥标准横断面及车辆偏载横向加载位置图”）。支座横向间距不变的情况（取３．１５ｍ）下看四种荷载工况下的倾覆稳定系数的变化，如表１所示。由上表可知研究远离车道偏载侧的支座１５６４横向倾覆稳定性的简化算法４．１横向倾覆稳定简化算法的基本原理在提出横向倾覆稳定性简化算法前先作如下假定：４．１．１梁体倾覆时以倾覆支座中心的那一点为轴；忽略稳定力和倾覆力的重心高度，并将其竖向平移至梁底支座同一高度。４．１．２梁底始终为水平，不考虑支座变形和桥梁制造误差。用跨径为２～２０ｍ时车道荷载标准值作为超载的荷载检算本工程实例的横向倾覆稳定性，表３是超载与不超载的倾覆稳定系数对比。万方数据 表６工况二下Ｄ：３．１５Ｉ－Ｉ简化算法倾覆稳定系数．表７工况二下不同Ｄ值简化算法得出倾覆稳定系数Ｄ《ｍ）３１．３９１２．８５１．３１２２．７１．２２５Ｇｑ：Ｓｑ部分截面梁体的自重，Ｅｑ：Ｓｑ部分截面桥面铺装自重，Ｌｑ：Ｓｑ截面侧栏杆自重，Ｄｑ：Ｇｑ的力臂，【（Ｂ—Ｄ）／４】：Ｅｑ的力臂，“Ｂ—Ｄ）／２—０．２５】：Ｌｑ的力臂。Ｇｄ：Ｓｄ部分截面梁体的自重，Ｅｄ：Ｓｄ部５结论５．１独柱宽幅连续梁桥横向倾覆稳定性与桥梁上下部结构构造、支座横向问距、汽车荷载和车道布置、汽车超载程度等因素有关，在设计此类型桥梁时应谨慎考虑以上因素。５．２本文提出的横向倾覆稳定系数简化算法符合工程实际情况，合理、简便易行，满足一般设计的精度要求，在拟定结构尺寸和检算此类桥梁的横向倾覆稳定性时可以考虑使用。其计算原理有待更多的工程实例验证和改进。５．３建议以后的公路桥涵规范增设与横向倾覆稳定性相关的条文。倾覆稳定系数表８工况二下简化算法和空间梁格模型计算结果对比Ｄ《ｍ）３．１５３．００２．８５２．７０空间梁格１．３８５１．２９１１＿２０１１．１１５简化方法１４４６１．３９１１．３１２１．２２５相对误差（％）分截面桥面铺装自重，Ｌｄ：Ｓｄ截面侧栏杆自４，４７．７９．２９．９重，Ｄｄ：Ｇｄ的力臂，Ｉ（Ｂ＋Ｄ）／４】：Ｅｄ的力臂，【（Ｂ＋Ｄ）／２—０，２５】：Ｌｄ的力臂。４．２横向倾覆稳定简化算法的结果与空间有限元计算结果的对比本工程实例采用简化算法检算横向倾覆４．１．３车道偏载只按照《城市桥梁设计荷稳定性，各种荷载大小、加载位置和组合系数均按规范及工程实际情况。仅列出Ｄ＝３．１５ｍ的简化计算的计算过程（见表６），其他Ｄ值的简化计算结果列于表７：载标准》（ＣＪＪ７７Ｊ８）中４．１条要求最不利布置，未考虑成桥后车道的实际布置情况。４．１．４同种性质的荷载在其作用对结构抗横向倾覆是否有利的条件下，不同作用的组合系数不同。简化算法的基本原理是：将梁体看成刚体，以倾覆支点为界将桥梁的跨中截面分成两部分，靠近车道偏载一侧为Ｓａ，其质心为Ｚｄ；另一侧为Ｓｄ，质心为Ｚｑ。在桥梁横向倾覆的临界状态Ｓａ部分截面酌自重和桥面铺装、栏杆自重提供倾覆力；Ｓｄ部分截面的自重和桥面铺装、栏杆自重提供稳定力；汽车车道按照规范采取最不利布置，车道均布荷载和集中力都重叠为一个倾覆力Ｆｑ，力臂为Ｄｆ；上述所有稳定力对倾覆支点的稳定力矩组合值之和与倾覆力对倾覆支点的倾覆力矩组合值之和的比值应大于一定的安全系数，暂时取１．３。（见示意图５）计算表达式如下：了＾ｆｄ简化算法结果和空间梁格模型计算的最小横向倾覆稳定性系数对比如表８：４．２１简化算法结果比空间梁格模型计算的结果偏大，与空间梁格模型计算的汽车活载支反力是影响线加载的结果，而简化算法汽车车道荷载只是简单的静力叠加有关，但相对误差控制在１０％以内基本满足设计要求。４．２２简化算法和空间梁格模型计算的目的都是计算出横向倾覆稳定系数，但各有侧重，横向倾覆稳定性简化算法偏重于结构整体抗倾覆稳定，而空间梁格模型计算得出的倾覆稳定系数是一联所有支座均不脱空的最保守系数，所以简化算法得出结果比空间梁格计算结果大是正常的。４．２３但相对误差值有随Ｄ值减小而增大的趋势，与简化计算的原理存在某些缺（３—１）参考文献：…戴公连，李德建．桥梁结构空间分析设计方法与应用【Ｍ】．北京：人民交通出版社，２００１—０７．【２】裘伯永，盛兴旺，乔建东，文雨松．桥梁工程【Ｍ】．北京：中国铁道出版社，２００２．【３１高等桥梁结构理论【Ｍ１．项海帆．北京：人民交通出版社，００１（４）．【４】高伟，许克宾，刘俊伏．平板橡胶支座上梁体横向倾覆稳定性的计算特点【Ｊ】．铁道工程学报，２０００．１２（４）：４７～４９．１５ｌ邵旭东，王皓磊．长沙大道改造工程设计复核与平行计算主要结论【Ｊ】．湖南大学桥梁工程研究所，２００７—１１．【６】陈鸿炽．“宝瓶”式桥墩受力特性及钢筋合理性布置的探讨【Ｊ】．福建建设科技，２００５（０２）．【７】城市桥梁设计荷载标准．ｃＪＪ７７—９８Ｓ．【８Ｊ公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范．ＪＴＧＤ６２—２００４．Ｓ．ｆ９Ｊ铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范．ＴＢｌ０００２．３—２００５．Ｓ．ｆ１０】Ｍｉｄａｓ／Ｃｊｖｉｌ２００６使用说明书．１５７拈，蔚：．型：型：丝：堡：旦坐：！！：哩：旦丝：！：！墨ｕ可×口鼋＋Ｅｑｏ（Ｂ’Ｄ），４＋￡碍×【（Ｂ－Ｄｙ２－０２５】＋Ｆｑ×ｚ），陷有关，有待更多工程实例的进一步检验和改进。万方数据 单柱宽幅连续梁桥横向倾覆稳定性探讨
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
袁摄桢， 戴公连， 吴建武， YUAN Shezhen， DAI Gonglian， WU Jianwu中南大学土木建筑学院桥梁工程系中外建筑
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