箱梁桥抗倾覆、稳定问题的探讨

自从2007年10月23日内蒙古自治区包头市民族东路高架桥桥面发生倾斜以来，发生数起箱梁桥在多辆重载车偏载作用下倒塌的事故（表1），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论和深思。发生上述事故的桥梁大多有以下共同点：（1）整体式箱形梁桥；（2）直线桥或平曲线半径较大；（3）重载车靠行进方向右侧边缘行驶或停留；（4）倒塌桥梁大多是长桥，采用了独柱墩单支点设计，端横梁处双支座间距较小；（5）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倾覆轴旋转倒塌,而没有对弹性体问题简化为刚体处理方法的适用范围，以及破坏过程中橡胶支座的受力状态、支座与箱梁间的相互作用进行深入研究。

现行公路桥梁设计规范中对于该问题的要求处于空白。铁路桥梁规范中要求结构的侧向倾覆稳定系数不应小于1.3。由于铁路桥梁与公路桥梁（或城市桥梁）在车道数、行车轨迹、结构抗扭刚度、结构自重等方面存在诸多差异，因此采用铁路规范中的条文和系数，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纵向的强度设计，而忽视偏载作用下结构侧向抗倾覆稳定问题。从最近的几次事故中也可以看出桥梁结构强度的安全系数明显高于侧向倾覆稳定的安全系数。此外采用相同的设计活载对桥梁结构进行强度验算和抗倾覆稳定验算，能否保证结构安全，同样值得探讨。



国内外相应设计规范

国内外的桥梁规范中，就偏载作用下结构侧向倾覆失稳问题均没有明确的定义和要求，虽然与此类问题相关的要求均有表述，但不尽相同，如表2所示。

从表2可知，中国公路桥梁规范和铁路桥梁规范均引入了按照刚体计算的抗倾覆稳定系数，公路桥梁规范意见稿中考虑密集55t车列的工况，将安全系数定为2.5；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20％，这与中国铁路桥梁规范中板式橡胶支座的要求基本相同，但前者更为全面；日本桥梁规范中在计算支座负反力时活载效应取用2倍的系数。上述规范的要求各有千秋，本文通过下面的实例进行比较。




实例分析与对比

某直线匝道桥其平面布置和上部结构横断面布置如图1所示，端横梁设置双支座，中横梁处为单支座，桥型结构为六跨等截面钢筋混凝土连续梁桥，设计荷载等级为公路-Ｉ级。该桥在三辆重型货车偏载作用下发生倒塌事故，经实测三辆货车重量分别为125t、125t和110t，总重为360t。

在公路-Ｉ级、密集55t车列和事故车列三种荷载工况作用下，该桥按照刚体进行计算的抗倾覆稳定系数结果详见表3。从表中可知，设计活载作用下，该桥的抗倾覆稳定系数达到18以上，即使在密集55t车列或事故车列的作用下此系数也均在6以上，并且事故车列的总重量小于密集55t车列的重量（412.5t）。

采用弹性体计算模型，从端横梁处支座反力计算结果表4中可以看出：虽然设计活载作用下，“恒载+活载”组合支座不脱空，但密集55t车列或事故车列的作用下，支座负反力达到1000kN左右。由此可见，对于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6，也不能避免支座的脱空。

从对称荷载作用下截面最大弯矩的计算结果（表5）可以看出，在单列密集55t车列和事故车列的作用下，截面的最大正弯矩值和最大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。

将本例桥梁端横梁支座间距调整为5m，此时汽车活载作用线位于两支座间，按照刚体进行计算的抗倾覆稳定系数为+∞，偏载作用下支座反力计算结果如表6所示。可见支座活载负反力大幅减小，即使在密集55t车列作用下，该支座也不脱空。


根据上述分析结果可知：（1）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，忽视了实际桥梁结构为弹性体的客观因素；梁体过大的扭转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10，也不能保证在密集55t车列作用下发生支座脱空现象，甚至在事故车列作用下发生倒塌；（2）事故桥梁为小跨度连续梁结构，在单列密集55t车列或事故车列活载工况作用下，最大弯矩组合值也没能超过截面的抗弯承载力；（3）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：（1）将弹性体问题采用刚体问题的计算方法，忽略了梁体的弹性扭转变形；（2）偏载作用下，梁体发生扭转变形，橡胶支座处于偏压状态，设计标准中没有对梁体扭转角进行控制；（3）一些桥梁缺少避免横向滑落的构造措施或该措施过于薄弱。

由此说明：倾覆失稳不是第一类稳定问题，而是第二类稳定问题。笔者认为有如下方面可进一步地深入研究：（1）汽车活载设计标准、实际车辆荷载以及桥梁限载标准间存在诸多差异，三者间的关系也较为复杂；而桥梁结构的抗倾覆稳定问题不同于结构强度问题，有其自身的特点，因此应针对桥梁不同的限载标准制定合理的车列模型，用于抗倾覆稳定性的验算；（2）侧向倾覆失稳属于“脆性破坏”，其可靠指标应高于纵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；（3）桥梁橡胶支座采用的橡胶为超弹性体材料，研究箱梁桥倾覆过程中支座的受力性能、支座与箱梁间的反向支撑作用和切向摩擦作用，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：（1）在多跨一联的直线连续梁桥中，尽量避免采用单点支撑的结构体系；（2）抗倾覆稳定计算应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，该方法概念更加明确；（3）在偏载作用下，应限制梁体的扭转角不超过支座容许的最大转动角度；（4）桥墩支座处应采取可靠的横向限位措施，避免梁体的倾斜滑落。

偏载作用下箱梁桥侧向倾覆失稳属于脆性破坏，是瞬间发生的，所造成的损失是惨重的。现行设计规范存在不足，在确定抗倾覆稳定系数时，应考虑结构弹性体扭转变形的影响。确定合理的抗倾覆稳定性可靠指标，以及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，值得深入研究。