论文部分内容阅读
【摘要】本文介绍了城市高架匝道桥抗倾覆的计算要点，并结合相关的工程实例对关键点进行的论述，提出了结构抗倾覆设计的控制要素，可供相似工程在结构设计时参考。
【关键词】高架桥匝道；抗倾覆；结构设计
1、研究背景
随着社会经济和城市交通发展，高架桥成为城市路网的重要构成形式之一。匝道为连接地面道路与主线桥梁以及互通立交的连接线，匝道桥属于匝道的一部分，其曲线元素通常为直线段、圆曲线段和缓和曲线段组成，且普遍存在小半径曲线桥。在当前公路与城市道路桥梁的设计中，为追求结构外形轻盈美观或为加大桥下通行空间等考虑，越来越多地采用了独柱式下部结构匝道桥。近年来，国内发生多起匝道桥倾覆事故，高架匝道桥抗倾覆稳定性问题成为工程热点之一。
2、事故案例
事故一：2009年7月15日，津晋高速公路天津段港塘互通立交桥A匝道桥倒塌，5辆货车坠落，造成6人死亡、7人受伤，该匝道桥设计载荷为汽车55吨、挂车120吨。事故桥梁为4x19m等截面钢筋砼连续梁，全宽8.75m，端部为双支座，次边墩为单支座，中墩为固结墩。当5辆车行至匝道桥事故段时，前方一辆货车逆行，为避让此车，包括3辆严重超载货车的顺行车辆在单行道7.5米宽A匝道桥上靠右密集停车，并偏离行车道，车辆外轮距右侧护栏内缘小于1米，从而形成巨大偏载，导致桥梁梁体向右侧倾斜而引起桥梁倒塌。
事故二：2011年2月21日，浙江省上虞市县道南春线7K+966春晖互通绍兴至宁波、台州方向上匝道发生交通坍塌事故。坍塌桥梁总长120m，宽约7m，设计荷载为公路-I级，端部为双支座，中墩为独柱单支座。当最前面一辆车出现故障抛锚，后面三辆遂从其右侧超车。超车过程中，大桥忽然坍塌。有4 辆货车侧翻，事故造成3人轻伤。
事故三：2012年8月24日，哈尔滨市三环路群力高架桥洪湖路上行匝道垮塌，导致4台货车翻落，造成3人死亡、5人受伤。该匝道桥设计荷载城—A级（公路—1级）。倾覆段为钢混连续叠合梁，全长121.96米，宽9米，端部为双支座，中墩为圆柱墩单支座。由于4台货车在上行匝道同时集中靠右侧行驶，造成三环路群力高架桥洪湖路上行匝道向右（东）倾覆。
上述事故是近几年发生的匝道桥倾覆事故，其直接原因共性是超载，而从匝道桥结构上，另一个共性的特点是均含有独柱单支座中间墩。由于工程建设的需要，匝道桥采用独柱墩的情况比较普遍，在常规活载作用下，结构能保证安全稳定，而在屡禁不止的超载车辆作用下，此类匝道桥则存在一定的倾覆风险。桥梁倾覆事故具有突发性，历时短，破坏大，人员及财产损失严重，对社会、经济影响巨大。由于车辆超载防范较为困难，因此，这就要求桥梁结构具有一定的抗倾覆安全貯备能力。
3、分析思路
3.1关于倾覆问题的规定
匝道桥受恒载或活载偏载作用下，由于处在弯道挑臂较大，在梁上会产生较大倾覆力矩，使梁有倾覆的可能性。这种可能性的大小取决于结构自重产生的稳定力矩与倾覆力矩的比值大小。这个值越大，结构越稳定。在实际情况下，这个值如大于1即是稳定的，小于1则是不稳定，要倾覆的。在桥梁基础抗倾覆设计中，这个系数规定是1.2～1.5（JTG D63-2007第4.4.3条），但对于上部梁的抗倾覆稳定，现行规范无明确的规定。
以往大多数设计院在进行梁的抗倾覆设计时大都参照基础抗倾覆的稳定系数来进行的。纵观道路上的超载违章行驶的现状，这样的参数是很难保证抗倾覆安全的，这也是导致很多桥梁倾覆事故的主要原因。针对目前的状况，正在审定的JTG D62-2012（征求意见稿）对此作出了专门规定并较基础抗倾覆稳定系数有了较大幅度的提高，达到2.5：
3.2倾覆过程的演化
一般匝道桥宽度有限，大多设计采用双支座形式。当出现严重超载情况时，端部的两个支座中将有一个出现脱空，由边界条件失效而失去平衡状态。因此，可以将支座出现脱空时刻作为结构倾覆过程的开始，即活载参与的组合作用下，支座支反力首次出现为零的状态。
桥梁结构在运营过程中，分永久作用、可变作用和偶然作用三类，当分析支座反力（竖直方向）时，最主要的是永久作用中的结构重力（包括结构附加重力）以及可变荷载中的汽车荷载，除此以外，预加力作用（预应力）效应、温度作用等对支座竖向反力影响很小，可忽略不计，而基础变位作用对支座反力有部分影响，鉴于基础变位应以实测值计算，本次研究中也略去此类作用。因此，抗倾覆问题可以简化为恒载和活载的组合关系问题，即存在一个特定的组合Sd=Sg+X*（1+u）Sq，使得结构中某个支座反力最先为零，Sg为恒载的标准值，Sq为活载的标准值，X为扩大系数，u为冲击系数，当X=1.0时，该组合就是标准组合。扩大系数X可以解释为超载系数，当该组合Sd使得支座反力为零时，Sd为倾覆开始的临界组合，系数X即为结构的倾覆启动系数。
为分析匝道桥在上述倾覆组合作用下的反力情况，可以借助现有有限元分析软件，对研究对象进行空间分析。本次研究工作采用MIDAS CIVIL 2011专业计算软件，分析倾覆组合的构成，求得倾覆启动系数X，并获得相应的超载位置。
现行规范《公路桥涵设计通用规范》和《城市桥梁设计规范》中对于设计活载进行了专门详细的规定，其取值详见下表。
根据规范规定，计算剪力效应时，上述集中荷载标准值应乘以1.2的系数，对于支座反力问题，可以归结为梁端的剪力效应，因此，在计算车道荷载时，应乘以1.2的系数。
通过上述比较可知，公路规范和城市规范中所采用的车道荷载是相同的，对于车辆荷载，城市规范比公路规范取值更大。考虑到倾覆启动时，超载可能表现为单车严重超载或者多车少量超载等形式，因此，本次研究工作中，活载的模拟采用两种荷载工况，一种是车道荷载，另一种是城市规范的车辆荷载。 当结构支座反力出现脱空后，由于桥梁构件本身具有一定的延性，因此支座反力重新分配，并建立新的整体平衡状态。当超载情况异常严重，同时梁体构件尚未发生破坏，仍然近似刚性体时，结构可能发生整体倾覆。由物理力学可知，当物体的重心在支承区域内（节点ABFEC围成的面域）时，其体系是稳定的；当物体的重心在支承区域外时，体系是失衡的；其临界状态即是物体的重心恰位于支承边界上（如图中的边AC）。将梁体在恒载（重心在节点Gc）及活载（外力作用于节点P）组合下的合力作用点（节点G应在节点Gc与P的连线上）视为梁体的组合重心点，若点G在面域ABFEC内，则结构是稳定的；若点G在面域ABFEC外，则结构是失衡的；其临界状态是点G点位于支承边界上（如图中的边AC）。此时，恒活载组合中的X即是整体倾覆系数。
对于整体倾覆临界状态，恒活载合力作用点位于支承边界上，以支承边界建立力矩平衡方程并求解，即得整体倾覆系数。如图所示，点G在旋转轴AC上，因此，对AC取矩，应该有，其中Dp、Dgc分别为P、Gc作用点到AC的垂直距离。
对于等式右边项，根据重心的定义，应该有
其中Ri为各支点反力，Di为各点对边AC的垂直距离。
对于等式左边项，考虑到发生整体倾覆时，往往表现为多车严重超载形式，因此，以车道荷载而非车辆荷载来模拟活载作用，既简化计算也符合实际情况。将集中荷载Pk和均布荷载qk对边AC取矩，可得，其中e为横向最不利车道位置到倾覆轴线的垂直距离，Ω为倾覆轴线与横向加载车道围成的面积（图中阴影部分）。
需要注意的是，本文上述的整体倾覆状态基于结构从倾覆启动后仍然保持刚性体的假定，而实际情况是，当结构出现支座脱空现象、边界条件变化后，梁体受力、支承反力均发生改变，梁体、支座、墩台等均可能发生超出构件承载能力的情况，则体系可能提前垮溃。
4、工程实例
结合城市高架立交桥中几座独柱单支座匝道桥，以及高架桥上下匝道桥，进行抗倾覆的计算分析，包含倾覆启动和整体倾覆两种状态。限于篇幅，本文所选择的匝道桥宽度8～10m不等，平面半径150～300m不等，并含一联直线桥，桥跨布置三～五跨不等。
本文采用MIDAS CIVIL 2011計算软件，分别按车道荷载及车辆荷载进行倾覆启动状态的分析，求得倾覆启动系数X，并获得相应的超载位置。
以下是案例匝道桥倾覆启动状态的荷载分布图式。
A联倾覆启动状态车辆荷载加载位置
B联倾覆启动状态车辆荷载加载位置
C联倾覆启动状态车辆荷载加载位置
通过计算可知，本文列举的各联结构在规范规定的活载作用下，其倾覆启动系数1.628～2.507；整体倾覆系数普遍在6～9左右，A联最大为9.959。A联及B联主要得益于较大的粱端支座间距，因此加大粱端支座间距，可最有效提高结构的抗倾覆能力。此外，B联、C联梁总长较大，倾覆启动系数较大，说明结构越重，其抗倾覆能力越好。
5、建议
超载问题是交通运输的顽疾，而且个别车辆超载量惊人。以前文所述事故为例，事故一所涉及的5辆车中有三辆为严重超载车辆，这三辆车平均单车重量143吨，为城市规范车辆荷载的2倍有余，为公路规范车辆荷载的2.6倍。事故中5辆大货车总重为5025kN，折算线荷载集度为46.1kN/m，为公路04规范公路-Ⅰ级车道荷载的3.4倍。事故二由4辆大货车引起，总重约4800kN，折算线荷载集度为40.0kN/m，为公路04规范公路-Ⅰ级车道荷载的3.1倍。事故三中的4辆车车货总重485.2吨，折算线荷载集度为39.8kN/m，为公路04规范公路-Ⅰ级车道荷载的2.9倍。
随着活载的增加，结构倾覆从首次出现支座脱空开始，向整体倾覆发展，但由于结构刚度及构件承载力的短板，超载程度尚未达到整体倾覆系数之前，结构已经溃塌，因此，以整体倾覆系数来控制结构设计的安全贮备，显得不切实际。当超载程度超过倾覆启动系数时，结构已经出现与设计不一致的边界条件，则意味着局部构件已经或即将发生损伤，因此，以倾覆启动系数来控制结构设计，目的性更强，也更贴近实际情况。
在加强对超载车辆管控、严格限行卸载的同时，建议桥梁工程选择合适的倾覆启动系数指导设计，并在结构选型、构造尺寸等方面保留适当的安全贮备，确保桥梁结构安全稳定。
参考文献
[1]李盼到，马利君.独柱支撑匝道桥抗倾覆验算汽车荷载研究.桥梁建设，2012，42（3）：14-18
[2]JTG D60-2004 公路桥涵设计通用规范
[3]CJJ 11-2011 城市桥梁设计规范
【关键词】高架桥匝道；抗倾覆；结构设计
1、研究背景
随着社会经济和城市交通发展，高架桥成为城市路网的重要构成形式之一。匝道为连接地面道路与主线桥梁以及互通立交的连接线，匝道桥属于匝道的一部分，其曲线元素通常为直线段、圆曲线段和缓和曲线段组成，且普遍存在小半径曲线桥。在当前公路与城市道路桥梁的设计中，为追求结构外形轻盈美观或为加大桥下通行空间等考虑，越来越多地采用了独柱式下部结构匝道桥。近年来，国内发生多起匝道桥倾覆事故，高架匝道桥抗倾覆稳定性问题成为工程热点之一。
2、事故案例
事故一：2009年7月15日，津晋高速公路天津段港塘互通立交桥A匝道桥倒塌，5辆货车坠落，造成6人死亡、7人受伤，该匝道桥设计载荷为汽车55吨、挂车120吨。事故桥梁为4x19m等截面钢筋砼连续梁，全宽8.75m，端部为双支座，次边墩为单支座，中墩为固结墩。当5辆车行至匝道桥事故段时，前方一辆货车逆行，为避让此车，包括3辆严重超载货车的顺行车辆在单行道7.5米宽A匝道桥上靠右密集停车，并偏离行车道，车辆外轮距右侧护栏内缘小于1米，从而形成巨大偏载，导致桥梁梁体向右侧倾斜而引起桥梁倒塌。
事故二：2011年2月21日，浙江省上虞市县道南春线7K+966春晖互通绍兴至宁波、台州方向上匝道发生交通坍塌事故。坍塌桥梁总长120m，宽约7m，设计荷载为公路-I级，端部为双支座，中墩为独柱单支座。当最前面一辆车出现故障抛锚，后面三辆遂从其右侧超车。超车过程中，大桥忽然坍塌。有4 辆货车侧翻，事故造成3人轻伤。
事故三：2012年8月24日，哈尔滨市三环路群力高架桥洪湖路上行匝道垮塌，导致4台货车翻落，造成3人死亡、5人受伤。该匝道桥设计荷载城—A级（公路—1级）。倾覆段为钢混连续叠合梁，全长121.96米，宽9米，端部为双支座，中墩为圆柱墩单支座。由于4台货车在上行匝道同时集中靠右侧行驶，造成三环路群力高架桥洪湖路上行匝道向右（东）倾覆。
上述事故是近几年发生的匝道桥倾覆事故，其直接原因共性是超载，而从匝道桥结构上，另一个共性的特点是均含有独柱单支座中间墩。由于工程建设的需要，匝道桥采用独柱墩的情况比较普遍，在常规活载作用下，结构能保证安全稳定，而在屡禁不止的超载车辆作用下，此类匝道桥则存在一定的倾覆风险。桥梁倾覆事故具有突发性，历时短，破坏大，人员及财产损失严重，对社会、经济影响巨大。由于车辆超载防范较为困难，因此，这就要求桥梁结构具有一定的抗倾覆安全貯备能力。
3、分析思路
3.1关于倾覆问题的规定
匝道桥受恒载或活载偏载作用下，由于处在弯道挑臂较大，在梁上会产生较大倾覆力矩，使梁有倾覆的可能性。这种可能性的大小取决于结构自重产生的稳定力矩与倾覆力矩的比值大小。这个值越大，结构越稳定。在实际情况下，这个值如大于1即是稳定的，小于1则是不稳定，要倾覆的。在桥梁基础抗倾覆设计中，这个系数规定是1.2～1.5（JTG D63-2007第4.4.3条），但对于上部梁的抗倾覆稳定，现行规范无明确的规定。
以往大多数设计院在进行梁的抗倾覆设计时大都参照基础抗倾覆的稳定系数来进行的。纵观道路上的超载违章行驶的现状，这样的参数是很难保证抗倾覆安全的，这也是导致很多桥梁倾覆事故的主要原因。针对目前的状况，正在审定的JTG D62-2012（征求意见稿）对此作出了专门规定并较基础抗倾覆稳定系数有了较大幅度的提高，达到2.5：
3.2倾覆过程的演化
一般匝道桥宽度有限，大多设计采用双支座形式。当出现严重超载情况时，端部的两个支座中将有一个出现脱空，由边界条件失效而失去平衡状态。因此，可以将支座出现脱空时刻作为结构倾覆过程的开始，即活载参与的组合作用下，支座支反力首次出现为零的状态。
桥梁结构在运营过程中，分永久作用、可变作用和偶然作用三类，当分析支座反力（竖直方向）时，最主要的是永久作用中的结构重力（包括结构附加重力）以及可变荷载中的汽车荷载，除此以外，预加力作用（预应力）效应、温度作用等对支座竖向反力影响很小，可忽略不计，而基础变位作用对支座反力有部分影响，鉴于基础变位应以实测值计算，本次研究中也略去此类作用。因此，抗倾覆问题可以简化为恒载和活载的组合关系问题，即存在一个特定的组合Sd=Sg+X*（1+u）Sq，使得结构中某个支座反力最先为零，Sg为恒载的标准值，Sq为活载的标准值，X为扩大系数，u为冲击系数，当X=1.0时，该组合就是标准组合。扩大系数X可以解释为超载系数，当该组合Sd使得支座反力为零时，Sd为倾覆开始的临界组合，系数X即为结构的倾覆启动系数。
为分析匝道桥在上述倾覆组合作用下的反力情况，可以借助现有有限元分析软件，对研究对象进行空间分析。本次研究工作采用MIDAS CIVIL 2011专业计算软件，分析倾覆组合的构成，求得倾覆启动系数X，并获得相应的超载位置。
现行规范《公路桥涵设计通用规范》和《城市桥梁设计规范》中对于设计活载进行了专门详细的规定，其取值详见下表。
根据规范规定，计算剪力效应时，上述集中荷载标准值应乘以1.2的系数，对于支座反力问题，可以归结为梁端的剪力效应，因此，在计算车道荷载时，应乘以1.2的系数。
通过上述比较可知，公路规范和城市规范中所采用的车道荷载是相同的，对于车辆荷载，城市规范比公路规范取值更大。考虑到倾覆启动时，超载可能表现为单车严重超载或者多车少量超载等形式，因此，本次研究工作中，活载的模拟采用两种荷载工况，一种是车道荷载，另一种是城市规范的车辆荷载。 当结构支座反力出现脱空后，由于桥梁构件本身具有一定的延性，因此支座反力重新分配，并建立新的整体平衡状态。当超载情况异常严重，同时梁体构件尚未发生破坏，仍然近似刚性体时，结构可能发生整体倾覆。由物理力学可知，当物体的重心在支承区域内（节点ABFEC围成的面域）时，其体系是稳定的；当物体的重心在支承区域外时，体系是失衡的；其临界状态即是物体的重心恰位于支承边界上（如图中的边AC）。将梁体在恒载（重心在节点Gc）及活载（外力作用于节点P）组合下的合力作用点（节点G应在节点Gc与P的连线上）视为梁体的组合重心点，若点G在面域ABFEC内，则结构是稳定的；若点G在面域ABFEC外，则结构是失衡的；其临界状态是点G点位于支承边界上（如图中的边AC）。此时，恒活载组合中的X即是整体倾覆系数。
对于整体倾覆临界状态，恒活载合力作用点位于支承边界上，以支承边界建立力矩平衡方程并求解，即得整体倾覆系数。如图所示，点G在旋转轴AC上，因此，对AC取矩，应该有，其中Dp、Dgc分别为P、Gc作用点到AC的垂直距离。
对于等式右边项，根据重心的定义，应该有
其中Ri为各支点反力，Di为各点对边AC的垂直距离。
对于等式左边项，考虑到发生整体倾覆时，往往表现为多车严重超载形式，因此，以车道荷载而非车辆荷载来模拟活载作用，既简化计算也符合实际情况。将集中荷载Pk和均布荷载qk对边AC取矩，可得，其中e为横向最不利车道位置到倾覆轴线的垂直距离，Ω为倾覆轴线与横向加载车道围成的面积（图中阴影部分）。
需要注意的是，本文上述的整体倾覆状态基于结构从倾覆启动后仍然保持刚性体的假定，而实际情况是，当结构出现支座脱空现象、边界条件变化后，梁体受力、支承反力均发生改变，梁体、支座、墩台等均可能发生超出构件承载能力的情况，则体系可能提前垮溃。
4、工程实例
结合城市高架立交桥中几座独柱单支座匝道桥，以及高架桥上下匝道桥，进行抗倾覆的计算分析，包含倾覆启动和整体倾覆两种状态。限于篇幅，本文所选择的匝道桥宽度8～10m不等，平面半径150～300m不等，并含一联直线桥，桥跨布置三～五跨不等。
本文采用MIDAS CIVIL 2011計算软件，分别按车道荷载及车辆荷载进行倾覆启动状态的分析，求得倾覆启动系数X，并获得相应的超载位置。
以下是案例匝道桥倾覆启动状态的荷载分布图式。
A联倾覆启动状态车辆荷载加载位置
B联倾覆启动状态车辆荷载加载位置
C联倾覆启动状态车辆荷载加载位置
通过计算可知，本文列举的各联结构在规范规定的活载作用下，其倾覆启动系数1.628～2.507；整体倾覆系数普遍在6～9左右，A联最大为9.959。A联及B联主要得益于较大的粱端支座间距，因此加大粱端支座间距，可最有效提高结构的抗倾覆能力。此外，B联、C联梁总长较大，倾覆启动系数较大，说明结构越重，其抗倾覆能力越好。
5、建议
超载问题是交通运输的顽疾，而且个别车辆超载量惊人。以前文所述事故为例，事故一所涉及的5辆车中有三辆为严重超载车辆，这三辆车平均单车重量143吨，为城市规范车辆荷载的2倍有余，为公路规范车辆荷载的2.6倍。事故中5辆大货车总重为5025kN，折算线荷载集度为46.1kN/m，为公路04规范公路-Ⅰ级车道荷载的3.4倍。事故二由4辆大货车引起，总重约4800kN，折算线荷载集度为40.0kN/m，为公路04规范公路-Ⅰ级车道荷载的3.1倍。事故三中的4辆车车货总重485.2吨，折算线荷载集度为39.8kN/m，为公路04规范公路-Ⅰ级车道荷载的2.9倍。
随着活载的增加，结构倾覆从首次出现支座脱空开始，向整体倾覆发展，但由于结构刚度及构件承载力的短板，超载程度尚未达到整体倾覆系数之前，结构已经溃塌，因此，以整体倾覆系数来控制结构设计的安全贮备，显得不切实际。当超载程度超过倾覆启动系数时，结构已经出现与设计不一致的边界条件，则意味着局部构件已经或即将发生损伤，因此，以倾覆启动系数来控制结构设计，目的性更强，也更贴近实际情况。
在加强对超载车辆管控、严格限行卸载的同时，建议桥梁工程选择合适的倾覆启动系数指导设计，并在结构选型、构造尺寸等方面保留适当的安全贮备，确保桥梁结构安全稳定。
参考文献
[1]李盼到，马利君.独柱支撑匝道桥抗倾覆验算汽车荷载研究.桥梁建设，2012，42（3）：14-18
[2]JTG D60-2004 公路桥涵设计通用规范
[3]CJJ 11-2011 城市桥梁设计规范