一种独柱墩梁桥抗倾覆承载力计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及土木工程技术，具体涉及一种独柱墩梁桥抗倾覆承载力计算方法。
【背景技术】
[0002] 桥梁倒塌事故的原因包括施工质量不足、设计不合理、车辆超载、撞击和其它由自 然条件引起的倒塌。特别是近几年独柱墩梁桥的相继倒塌，引起社会广泛关注。
[0003] 目前，国内桥梁设计人员对上部结构的抗弯、抗剪承载力以及混凝土抗裂性能比 较重视，在满足规范要求的情况下，具有较大的冗余度。但对桥梁的横向稳定和倾覆倒塌缺 乏必要的重视，即便考虑了倾覆稳定，也大多把端支座是否脱空作为评价桥梁倾覆的唯一 指标，无法综合考虑上部结构自重对抗倾覆的影响，在设计阶段就埋下安全隐患。独柱墩梁 桥是以受弯为主的主梁作为承重构件的桥梁，主要由上部结构和下部结构组成，其中上部 结构主要包括箱型主梁（即箱梁），支座，桥面铺装，排水系统，防护栏杆；下部结构主要包 括桥台、桥墩、基础。独柱墩梁桥两端采用双柱墩，双柱墩的每个墩上设置有一个抗扭支座 (相应的两个抗扭支座称为一对抗扭支座，分别位于箱梁的两侧）；中间采用独柱墩，每个 墩上设置有一个支座。
[0004] 为增大独柱墩梁桥的抗倾覆能力，可以在独柱墩间隔插入双柱墩，即除首尾两端 外，中间部分也分布有双柱墩。
[0005] 我国现行的公路桥梁规范中，尚未对桥梁结构倾覆稳定性作出明确规定。《公路桥 涵设计通用规范》(jreD60-2004)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》（JTCD62-2004)中9. 7. 4条均只有禁止桥梁支座脱空的描述。铁道部《铁路桥涵钢 筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002. 3-2005)中4. I. 1条规定在计算载荷的 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。而现行城市桥梁设计规 范虽然提出了保证桥梁整体稳定性的要求，但未给出明确的验算方法及相应标准。浙江省 交通厅在《关于独柱式桥墩桥梁稳定性问题座谈会议纪要》中提出，在实际计算分析中除定 义1. 3倍车道载荷外，进一步定义1. 2倍车辆载荷作为倾覆验算载荷，通过支座是否出现负 反力来判断桥梁结构的抗倾覆性能。在铁路桥梁中，超载尚不严重；但在公路桥梁中，随着 装备制造业的迅猛发展，车辆超载2-3倍较为常见。根据可靠度理论，通过分项系数对材料 强度折减并对外载荷放大，结构实际抗弯或抗剪承载力可达设计载荷的3-4倍。因此，在公 路桥梁的设计中，计算上部结构倾覆稳定只考虑超载30%无法适应现有车辆载重的实际情 况；同时结构倾覆仅采用支座是否出现负反力来判断亦值得商榷；最后，由于缺乏有效的 实用计算方法，工程人员无法科学快速的判断桥梁是否倾覆。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种独柱墩梁桥抗倾覆承载力计算方法。
[0007] -种独柱墩梁桥抗倾覆承载力计算方法，包括如下步骤：
[0008] (1)确定倾覆临界状态下箱梁的转动轴线；
[0009] (2)根据所述的转动轴线分别计算箱梁自重力矩，以及抗倾覆侧的载荷力矩和倾 覆侧的抗扭支座反力力矩；
[0010] (3)根据所述的箱梁自重力矩，以及抗倾覆侧的载荷力矩和倾覆侧的抗扭支座反 力力矩计算独柱墩梁桥的抗倾覆力矩。
[0011] 梁桥抗倾覆承载力通常采用抗倾覆力矩力矩、抗倾覆支座反力或扭矩等参数进行 衡量，各个参数之间可以进行换算。本发明中抗倾覆力矩，在抗倾覆力矩力矩已知的条件 下，根据物理和几何运算，可以很容易的推导出抗倾覆支座反力和扭矩等其他用于衡量倾 覆承载能力的参数上。
[0012] 独柱墩梁桥倾覆分为2个关键状态，即支座脱空和临界倾覆，并形成了与之相对 应3个关键阶段，即稳定阶段、渐变阶段和倾覆阶段。
[0013] 本发明中独柱墩梁桥达到支座脱空状态时，对于圆形支座而言，转动轴线位于离 支座中心1/4R处，其中R为支座的半径，对于矩形支座（水平截面为矩形）的转动轴线位 于离支座中心1/6B处，B为矩形的宽。
[0014] 汽车载荷在偏载作用下对梁桥产生竖向的载荷和倾覆力矩：
[0015] 在稳定阶段时，桥墩反力由两侧端支座（抗扭支座）和中间独柱墩联合提供；在使 用时由于箱梁两侧的载荷作用，箱梁的转动轴线逐渐偏离支座的几何中心，当偏移量达到 一定的程度时，抗倾覆侧抗扭支座出现脱空现象，进入渐变阶段。
[0016] 在渐变阶段时，由于在临界状态之前，抗倾覆侧的支座（包括该侧的抗扭支座）已 经处于支座脱空状态，因此该侧的支座不会产生抗倾覆的力矩；
[0017] 在倾覆阶段时，转动轴线达到极限位置，此时抗倾覆侧的支座已经脱空，倾覆侧偏 载产生的倾覆力矩等于上部结构（即箱梁）自重力矩、抗倾覆侧载荷力矩和倾覆侧抗扭支 座反力力矩三者之和，倾覆侧抗扭支座和中间独柱墩支座联合抵抗竖向（即竖直方向）的 载荷。
[0018] 本发明中以倾覆瞬间作为倾覆临界状态，以该临界状态下独柱墩梁桥的抗倾覆力 矩作为独柱墩梁桥的抗倾覆力矩力矩。本发明的方法在实际应用时，首先确定倾覆侧，然后 以另一侧作为抗倾覆侧。
[0019] 独柱墩梁桥的抗倾覆力矩由箱梁自重力矩、抗倾覆侧载荷力矩和倾覆侧抗扭支座 反力力矩组成，而中间独柱墩反力作用线通过转动轴线，故力矩为零。桥梁在倾覆极限状态 时，箱梁发生明显转动，此时端支座（箱梁首尾两端的抗扭支座）产生的反力包括竖向反力 和沿斜面向上的摩擦力，其合力可近似等效成作用点在端支座中心以外的竖向反力。
[0020] 在实际使用过程中，独柱墩梁桥两侧的载荷会发生变化，本发明中充分考虑到抗 倾覆侧的负载变化，可以实时准确的确定抗倾覆侧的载荷力矩。
[0021] 独柱墩梁桥达到倾覆稳定临界状态时，其转动轴线位于支座底边缘45°向上往支 座内侧扩散位置。支座厚度不同时，临界状态下转动轴线的位置也不同。
[0022] 当独柱墩梁桥的支座截面为圆形时，所述转动轴线到支座（中间支座，非抗扭支 座）近边缘的距离等于支座的厚度。其中，近边缘指与转动轴线的距离较近侧的边缘。
[0023] 当独柱墩梁桥的支座截面为矩形时，所述转动轴线到支座（中间支座，非抗扭支 座）边缘的距离等于支座的厚度。
[0024] 所述抗倾覆侧的载荷力矩根据如下公式计算得到： η
[0025] A = i=1 ，
[0026] 其中，巧为抗倾覆侧的第i个汽车的载荷，A为第i个汽车到转动轴线的距离，i = 1,2，......η，η为抗倾覆侧汽车的数量。
[0027] 本发明中K为抗倾覆侧的第i个汽车的重力，根据质量通过重力公式计算得到。
[0028] 所述倾覆侧的抗扭支座反力力矩根据如下公式计算： m
[0029] lI=TjpB xK 戶1 ?
[0030] 其中，#为倾覆侧第j个抗扭支座的抗倾覆力，/i为倾覆侧第j个抗扭支座的中 心到所述转动轴线的距离，m为倾覆侧抗扭支座的数量。
[0031] 本发明中在计算直线型独柱墩梁桥时，其倾覆临界状态时各个抗扭支座的反力 (即抗倾覆力）可按连续梁计算方法按桥梁横向单支座计算得到。
[0032] 本发明中m和η的取值随着实际应用情况而变化。
[0033] 所述的箱梁自重力矩根据如下公式计算：
[0034] L3=qGXl〇Xlq,
[0035] 其中，qe为箱梁的线重度，1 ^为箱梁的跨径，1 ,为箱梁中心线与所述转动轴线在水 平方向上的距离。
[0036] 倾覆侧载荷产生的倾覆力矩为： T
[0037] L = Y^P1I1 t
[0038] 其中，Pt为可能导致独柱墩梁桥倾覆一侧汽车载荷，I P t到转动轴线的距离，T 为可能导致独柱墩梁桥倾覆一侧汽车载荷的个数。
[0039] 判断独柱墩梁桥是否倾覆的准则如下不等式：LK> L。
[0040] 当上不等式成立时，独柱墩梁桥在指定倾覆侧载荷作用下不会发生倾覆破坏，否 则将会发生倾覆破坏。
[0041] 与现有技术相比，本发明解决了现有独柱墩梁桥无法预测其抗倾覆侧的承载力的 问题，根据梁桥的实时负载情况，实时确定梁桥的抗倾覆承载能力，有利于降低梁桥倾覆概 率。
【附图说明】
[0042] 图1为本实施例的独柱墩梁桥处于倾覆临界状态时首端的示意图；
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