箱梁桥抗倾覆设计方法

《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG3362-2018解读详解：箱梁桥抗倾覆设计方法提纲一、规范条文二、适用对象三、验算方法四、防治措施五、应用示例2一、规范条文验算+构造两类要求

4.1.8条规定了箱梁桥的抗倾覆验算要求3一、规范条文验算+构造两类要求

9.6.9条规定了箱梁桥的抗倾覆构造要求避免采用连续的独柱单支座式结构4一、规范条文验算+构造两类要求

哪些桥梁会发生横向倾覆？适用对象验算方法防治措施

为什么横向倾覆？

如何避免横向倾覆？5汇报提纲一、规范条文二、适用对象三、验算方法四、防治措施五、应用示例6二、适用对象1典型倾覆事件

XX桥

时间XX年XX月

上部结构简支钢箱梁

下部结构小间距双支座+花瓶墩

结构破坏情况三辆单车重约100t重车偏载通行，主梁绕中心轴一侧支座倾覆，钢主梁、混凝土桥墩无结构性破坏7二、适用对象1典型倾覆事件

XX桥

时间XX年XX月

上部结构钢筋混凝土结构连续梁桥，（17.5+22+22+17.5）m+30m

下部结构单支座+独柱墩

结构破坏情况三辆单车重约140t重车偏载通行，整体倒塌，倒塌后的桥梁结构整体性基本完好8二、适用对象1典型倾覆事件

XX桥

时间XX年XX月

上部结构简支钢箱梁

下部结构小间距双支座

结构破坏情况受拉支座锚栓未灌浆，梁体与桥墩间无锚固连接；浇筑护栏产生了偏心荷载，使得钢箱梁侧翻坠落9二、适用对象1典型倾覆事件

XX桥

时间XX年XX月

上部结构6×20m钢筋混凝土结构连续梁桥

下部结构单支座+独柱墩

结构破坏情况三辆单车重约120t的重车偏载通行，梁体发生扭转倾斜并向右侧滑移，结构整体性保持基本完好10二、适用对象1典型倾覆事件

XX桥

时间XX年XX月

上部结构钢-混凝土组合结构连续梁桥，跨径布置为36+50+36m

下部结构单支座+独柱墩

结构破坏情况四辆单车重约120t重车偏载通行，主梁翻落至底面，结构整体性基本完好，盖梁局部破损11二、适用对象1典型倾覆事件

XX桥

时间XX年XX月

上部结构预应力混凝土结构连续梁桥，跨径布置为3×25m

下部结构单支座+独柱墩

结构破坏情况三辆单车重约120t重车偏载通行，主梁翻落至底面，结构整体性基本完好12二、适用对象2结构形式调研

独柱墩箱梁桥广泛应用于公路互通、城市道路立交枢纽

结构形式箱梁+单支座的独柱式桥墩

适用条件占地条件受限的立交匝道桥

优点线条流畅、视觉通透、外形美观、节约占地14二、适用对象2结构形式调研

桥面宽度B基本在8～11m

跨数n约98%的箱梁桥跨数在5跨以内

边中跨比η约97%的箱梁桥边中跨比η≥0.6

联长L约97%的箱梁桥联长在200m内

平曲线半径R约90%的箱梁桥平曲线半径R≥90m

墩梁连接形式墩梁固结和支座连接两类15二、适用对象2结构形式调研结构分类结构体系•

刚构体系•

刚构-连续组合体系合并•

联中固结的箱梁桥主梁、桥墩等构件的承载力或受压稳定性控制墩梁固结的独柱墩边支座附近受剪破坏中跨跨中受弯破坏中墩附近受弯破坏边跨跨中受弯破坏中墩附近受剪破坏墩顶附近偏压破坏墩底附近偏压破坏•

连续梁体系•

支座支承的箱梁桥双支座的独柱墩单支座的独柱墩16二、适用对象2结构形式调研

支座支承的箱梁桥

上部结构采用整体箱梁或板梁、下部结构全部或部分采用单支座的梁桥第4.1.8条第2款整体式截面简支梁和连续梁的典型支座布置作用效应应满足抗倾覆要求参照《工程结构可靠性设计统一标准》，结构或其部分作为刚体失去静力平衡17提纲一、规范条文二、适用对象三、验算方法四、防治措施五、应用示例18三、验算方法1研究现状

采用有限元模型，分析倾覆过程和机理——同济大学石雪飞教授分析模型倾覆过程破坏类型•

箱梁沿转动轴翻转•

支反力重分配，盖梁受剪破坏•

水平力显著增大，桥墩受剪破坏19三、验算方法20三、验算方法1研究现状

采用有限元模型，分析倾覆过程和机理——浙工大彭卫兵教授车-主梁-支座-桥墩间采用

在倾覆过程中，桥梁支座的受力状态受压-剪切接触的三维数值模型

不断变化：正常受压-局部脱空-失效•

箱梁沿转动轴翻转破坏类型•

箱梁转角过大，使支座挤出•

箱梁转角过大，使箱梁滑移•

桥墩偏心受压破坏21三、验算方法22三、验算方法1研究现状

采用有限元模型，分析倾覆过程和机理

北京市政N

”nNiN1N1N2中墩铰接曲线型独柱支承式梁桥

中墩铰接直线型独柱支承式梁桥•

在偏心荷载作用下，随着主梁扭转效应的增覆

加，边支座出现脱空，主梁支承体系发生变化；•

边墩支座脱空和中墩支座倾破坏转角达到0.03rad，作为中过程•

随着荷载的进一步增加，中墩支座破坏导致

类

墩铰接独柱支承梁式桥的倾型结构转化为机构，无法再次达到平衡状态覆临界状态23三、验算方法1研究现状

对倾覆过程形成了统一认识，但倾覆临界状态不一致倾•

在偏心荷载作用下，单向受压支座依次脱离受压状态，箱梁的支承体系不再提供有效约束，箱梁扭转变形趋于发散，箱梁横向失稳垮塌，支座、下部结构连带损坏覆过程•

墩支座转角达到0.03rad•

箱梁转角过大，使支座挤出•

箱梁转角过大，使箱梁滑移•

支反力重分配，桥墩偏心受压破坏•

支反力重分配，盖梁受剪破坏•

水平力显著增大，桥墩受剪破坏•

箱梁沿转动轴翻转破坏类型24三、验算方法1研究现状

国内典型省区未形成统一的抗倾覆验算要求支座

扭转

刚体受压

变形

平衡项目美国AASHTOLRFDSpecification•

竖向荷载小于支座竖向承载能力的20%国外规范√•

在恒+风、恒+2汽车作用下，支反力不为负•

稳定效应/失稳效应≥1.3～1.5•

稳定效应/失稳效应≥1.3日本道桥示方书√公路桥涵地基与基础设计规范JTGD63国内规范√铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范TB10002.3√北京－独柱支承桥梁结构内力及稳定性分析•边墩支座脱空的安全系数≥1.5，中墩支座转角达到0.03rad的安全系数大于等于2.5√

√地方省市天津市市政公路箱梁匝道桥设计暂行规定•

边墩支座脱空的安全系数≥1.3，稳定效应/失稳效应≥2.5√√浙江-关于进一步提高公路工程设计质量的

√若干意见•

采用1.3倍公路-I级车道荷载、1.2倍55t车队荷载（间距10m）验算支座支反力25三、验算方法2典型桥梁的倾覆分析

分析了天津B桥和广东河源F桥的倾覆过程•

实体模型：主梁、支座和墩台采用solid45•

边界条件：梁与支座连接、支座与墩台连接均采用targe170/conta173接触单元•

作用：结构自重、混凝土收缩徐变、预应力和重车按照实际情况施加26三、验算方法2典型桥梁的倾覆分析

分析了天津B桥和广东河源F桥的倾覆过程广东河源F桥天津B桥27三、验算方法3倾覆特征状态

倾覆过程与特征状态特征特征状态1状态2正常状态某一单向受压支座脱空单向支座依次持续脱空整联箱梁抗扭支承失效箱梁变形发散•

墩支座转角达到0.03rad•

与日美桥规、北京天津浙江等特征状态1•

箱梁转角过大，使支座挤出•

箱梁转角过大，使箱梁滑移•

支反力重分配，桥墩偏心受压破坏•

支反力重分配，盖梁受剪破坏•

水平力显著增大，桥墩受剪破坏•

箱梁沿转动轴翻转地方标准的规定一致•

与现阶段相关研究提出的倾覆临界状态，更为明确、统一，且偏于安全特征状态228三、验算方法3倾覆特征状态

倾覆过程与特征状态0.5de-0.5d弯矩

0radTl

0l

2

25

dl

0

0radGIt支座1-1和支座3-1失效前后弯矩及剪力分布的对比l

2

25l无29三、验算方法4特征状态的验算要求

总体原则•

在偏心荷载作用下，倾覆破单向受压支座依次脱离受压状态，箱梁支承体系不再提供有效坏

约束，箱梁扭转变形趋于发散，箱梁横向本质失稳垮塌，支座、下部结构连带损坏30三、验算方法4特征状态的验算要求

特征状态1的验算要求支座受压对应的安全系数验算

•单向受压支座的受项目

压状态项目北京独柱支承桥梁结构内力及稳定性分析1.5•

基本组合（

1.0恒+1.4活）隐含安全系

天津市市政公路箱梁匝道桥设计暂行规定

1.3安全

数为1.4，与现有成浙江关于进一步提高公路工程设计质量的若干意见1.31.5系数

果持平•

与构件的承载力验算协调一致上海地区梁桥横向稳定安全性评估方法及对策研究验算要求构件名称破坏模式作用组合验算内容受弯破坏受剪破坏受压破坏受压失稳弯矩组合设计值≤抗弯承载力主梁桥墩基本组合基本组合剪力组合设计值≤抗剪承载力，剪力扭矩组合设计值≤剪扭承载力轴力弯矩组合设计值≤偏压承载力稳定系数限值≤稳定系数计算值31三、验算方法4特征状态的验算要求

特征状态2的验算要求——表达式验算

•参考挡土墙、刚性基础的横向倾覆验算，采用“稳定作用效应≥

稳定项目

性系数×失稳作用效应”的表达式《混凝土桥规》征求意见稿采用：沿转动轴翻转的刚体受力平衡：

Sbk,iSsk,i

kqf抗倾覆力矩/汽车荷载的倾覆力矩

≥2.5汽车荷载加载位置外侧内侧倾覆轴线箱形中心线•

忽略了倾覆过程中箱梁、支座和墩台的相互作用；•

忽略了箱梁的弯剪扭复合受力状态；需要确定三类•

稳定作用效应•

失稳作用效应•

忽略了传统倾覆稳定计算方法的适用条件；•

不能反映抗扭长度对抗倾覆性能的影响参数

•

稳定性安全系数32三、验算方法4特征状态的验算要求

特征状态2的验算要求——效应计算

稳定效应和失稳效应，采用失效支座的支反力来计算，与倾覆过程中支反力变化情况一致稳定效应

∑Sbk,i=∑R

lGi

iRGi——在永久作用下，第i个桥墩处失效支座的支反力，按全部支座有效的支承体系计算确定，按标准值组合取值li——第i个桥墩处失效支座与有效支座的中心间距失稳效应

∑Ssk,i=∑R

lQi

iRQi——在可变作用下，第i个桥墩处失效支座的支反力，按全部支座有效的支承体系计算确定，按标准值组合取值，汽车荷载效应（考虑冲击）按各失效支座对应的最不利布置形式取值33三、验算方法4特征状态的验算要求

特征状态2的验算要求——效应计算

稳定效应和失稳效应计算方法适用于简支梁R

=R

=R

=R

=gl/41g2g3g4gꢀꢁꢂꢄR

=

·

ꢃ

·

(0.5

−

ꢆ1QꢀꢅꢂꢄR

=

·

ꢃ

·

(0.5

−

ꢆ3Qꢀꢅ0.5de-0.5d34三、验算方法4特征状态的验算要求

特征状态2的验算要求-效应计算

稳定效应和失稳效应计算，在分析连续梁桥时，偏差约为1.2～1.4样本桥梁•

考虑非线性的有限元分析方法•

稳定效应和失稳效应简化计算方法•

分析恒载+k倍汽车荷载作用下,结构失稳时的k值数量：53个桥梁分析直桥：20-40m跨径、2跨-4跨

方法弯桥：20-40m跨径、2跨-4跨曲线半径100m-600m简化方法得到k值/非线性有限元得到k值项目支座布置：跨中全部单支座、跨中单支座与双支座交叉平均值1.20标准差0.121.40最大差值35三、验算方法4特征状态的验算要求

特征状态2的验算要求——稳定性系数

考虑简化方法偏差和重车密布不利工况，确定稳定性系数取2.555t车

辆

密

集

排

列构成的车队荷载，是目前符合标准规范和治超政策下的最不利汽车荷载20m30m40m跨径跨径跨径•

对跨径20～40m、联长20～200m的箱梁桥，55t车辆组成的车队产生的失稳效应是公路-I级车道荷载标准值效应的1.80倍；•

1.1（结构重要性系数）×1.3（简化方法偏差系数）×1.8（重载车队安全系数）≈2.5（稳定性系数）36三、验算方法4特征状态的验算要求

特征状态2的验算要求——稳定性系数

满足“结构倾覆破坏不先于构件承载力破坏”的基本原则构件的承载力安全余量一般在1.9-2.4，稳定性系数取2.5大于构件的承载力安全余量延性强度破坏形式序号结构类型构件承载力安全余量正截面抗弯斜截面抗剪1

钢筋混凝土结构

纵向受拉钢筋屈服箍筋受拉屈服1.9-2.12.2-2.42.0-2.32

预应力混凝土结构

预应力钢筋受拉屈服

箍筋受拉屈服钢结构

钢结构屈服3构件承载力安全余量采用规范规定的作用分项系数和材料分项系数、经极限状态换算得到37三、验算方法4特征状态的验算要求稳定效应

∑Sbk,i=∑R

lgi

i失稳效应

∑Ssk,i=∑R

lQi

i见条文说明38提纲一、规范条文二、适用对象三、验算方法四、防治措施五、应用示例39四、防治措施1影响因素桥梁序号D1L1R1N1D1L1R2N1D1L1R3N1D2L1R1N1D2L1R2N1D2L1R3N1D1L2R1N1D1L2R2N1D1L2R3N1D2L2R1N1D2L2R2N1D2L2R3N1D1L2aR1N1D1L2aR2N1D1L2aR3N1D2L3R1N2D2L4R1N3D2L3R3N2D2L4R3N3跨径布置d(m)

l(m)

r(m)n90200600902006009020060090200600903×20m3434360608080401.0•

支座横向间距d四类影响因素•

抗扭跨径l•

平曲线半径r•

边中跨比n3×20m4×20m4×20m4×20m1.01.01.01.020060016+20+16m12+20+12m16+20+16m12+20+12m52445244726472640.80.60.80.60.80.60.80.644449060090D2L5R1N2

16+2×20+16mD2L6R1N3

12+2×20+12mD2L5R3N2

16+2×20+16mD2L6R3N3

12+2×20+12m60040四、防治措施1影响因素•

支座横向间距d增大支座横向间距d，能够降低汽车荷载偏载作用引起的支座负反力RQi，提高箱梁桥的抗倾覆性能41四、防治措施1影响因素•

抗扭跨径l增大抗扭跨径l，使汽车荷载偏载作用引起的支座负反力RQi增大，降低了箱梁桥的抗倾覆性能;在跨中设置双支座的抗扭支承、减小抗扭跨径，能提高箱梁桥的抗倾覆性能42四、防治措施1影响因素•

曲线半径r随着曲线半径r减小，箱梁的弯扭耦合效应增大，箱梁桥的抗倾覆性能降低43四、防治措施1影响因素•

边中跨比n随着边中跨比n减小，端支座由永久作用产生的受压储备降低，箱梁桥的抗倾覆性能降低44四、防治措施2防治措施

策略一：改变破坏模式

跨中独柱单支座桥墩改造为墩梁固结，上部结构的静力平衡问题转换为强度问题

适用于高墩、且满足温度、收缩徐变等受力的情况45四、防治措施2防治措施

策略二：提高抗倾覆性能

增大墩台台双支座横向间距，跨中独柱单支座改造为多支座支承

不显著改变结构受力体系，提高抗倾覆性能，但缩减了桥下空间Fy径向约束滑板支座FZ支座增大墩台台双支座横向间距端横梁外伸46四、防治措施2防治措施

策略二：提高抗倾覆性能

增大墩台台双支座横向间距，跨中独柱单支座改造为多支座支承

不显著改变结构受力体系，提高抗倾覆性能，但缩减了桥下空间跨中独柱单支座改造为多支座支承47四、防治措施2防治措施

策略三：设置冗余约束

设置限位构造、抗拔装置，防止支座脱空与斜拉桥辅助墩的抗拔设计类似48四、防治措施3设计阶段的控制对策49四、防治措施4运营阶段的控制对策

按“一般评估”和“详细评估”两阶段，开展工作分类运营阶段、存在倾覆风险的桥梁输入信息：结构形式、外部作用结构分类使用现状检测技术状况验算是技术状况评估设置墩梁固结否车辆荷载无病害存在病害满足要求不满足要求简支梁或连续梁存在安全隐患无安全隐患初拟整治方案第三方技术咨询专家评审否是整治方案专项方案是否通行重载车是确定综合整治方案必要的结构优化满足抗倾覆性能否组织实施改造加固施工，提高桥梁的安全性方案实施对改造后结构进行技术状况评估，其性能满足相关要求无倾覆风险存在倾覆风险51四、防治措施4运营阶段的控制对策

重点内容

针对性病害检测

精细化状况评估

合理化改进结构

安全性处治加固

改造后状况评估，形成闭合的控制系统•

组织开展公路独柱墩桥梁安全隐患的专项排查、评估工作，采取有效措施提高公路独柱墩桥梁的安全水平，开展督促检查落实，严格责任追究制度52四、防治措施4运营阶段的控制对策

重点内容——针对性病害检测

切实加强公路桥梁的管养、监测工作贯彻落实政策要求，保障公路独柱墩桥梁的营运安全

检测监测要求按照《公路桥梁技术状况评定标准》JTG/TH21-2011的规定，检测、监测主梁、支座、桥墩、基础等构件

重点监测项目•

箱梁变位是否超过规定的限值•

支座是否存在缺损——老化破坏、整体脱空、变位超过规定限值•

箱梁的限位措施是否缺损

凡出现上述病害的公路独柱墩桥梁，应采取必要管控措施53四、防治措施4运营阶段的控制对策

重点内容——针对性病害检测防撞墙顶面高差板式支座脱空54四、防治措施4运营阶段的控制对策

重点内容——精细化状况评估

组织对所辖公路桥梁，特别是对公路独柱墩桥梁的技术状况进行再排查、再评估，务必确保承载能力符合规范要求。认真分析实际超载严重路段，重点做好偏载工况验算评估，对无法通过验算的桥梁应立即采取有效措施，避免出现因桥梁承载能力不足导致的安全事故。

计算模型采用空间计算模型，反映汽车荷载的空间分布和主梁的弯剪扭复合受力

边界条件•

墩梁连接应符合结构实际受力特性设置刚臂，按实际位•

桥墩约束应符合结构实际受力特性置模拟墩梁间的支座55四、防治措施4运营阶段的控制对策

重点内容——合理化改进结构

考虑桥梁的功能性要求、施工可实施性、检测养护要求和景观要求，尽量保证原结构支承体系不变

跨中桥墩采用横向双支座

跨中桥墩设置墩梁固结

增大联端双支座的横向间距在联中桥墩采用横向双支座：减小上部结构的抗扭跨径。联中在联中桥墩设置墩梁固结：慎重选用增大联端双支座的横向间距：在满足支联端座边缘与箱梁底边缘最小距离的前提下，尽可能增大支座间距。56四、防治措施4运营阶段的控制对策

重点内容——安全性处治加固

进一步加强公路违法超限超载治理工作•

多起桥梁倾覆均为重载车辆列队上桥、偏载行驶或靠边停留，形成严重偏压，导致一联桥梁侧向倾覆•

加强运营期通行车辆的管理和控制，对保障桥梁结构安全是至关重要内蒙古包头100吨天津浙江上虞125吨黑龙江哈尔滨165吨广东河源120吨147吨

制定专项维修组织方案•

养护维修中，应严格控制施工堆载和施工车