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1、北京市独柱支承梁式桥倾覆稳定性设计指南北京市市政工程设计研究总院2012年04月1总则 12 般规定 13结构体系 44倾覆稳定性验算方法及标准65构造措施116施工及使用要求131总则C1本章主要界定指南适用范围，与现行桥梁规范的关系。1.1为保证独柱支承梁式桥的倾覆稳定性能，避免出现桥梁倾覆事故， 为已有桥梁的改造、加固，为新桥梁的设计提供依据，为达到从规划 设计、施工验收、日常养护及安全运营各个阶段均能有效控制，保障 桥梁安全的最终目的进行本指南的编制。1.2本指南适用于北京地区公路、市政独柱支承梁式桥的设计。其主梁 可为普通钢筋混凝土结构、预应力钢筋混凝土结构或钢混组合结构。1.2独柱
2、支承梁式桥必须对正常使用阶段汽车荷载及施工阶段典型偏 心荷载进行结构倾覆稳定性验算。1.3独柱支承梁式桥的设计除满足本指南要求外，还需满足桥梁设计 的相关国家、行业及地方标准。C1.3本指南主要根据北京地区独柱支承梁式桥的特点，对现行桥梁规 范进行必要的补充，因此在进行独柱支承梁式桥的设计时应满足现行 桥梁规范的要求，在现行桥梁规范没有规定时可采用本指南条款。2 一般规定C2独柱支承连梁式桥以其对城市立交匝道桥梁良好的适应能力，近年来在现代化的公路及城市道路立交中得到广泛应用。由于独柱墩在横 桥向采用单支点支撑，在汽车偏载作用下，对结构的横向抗倾覆稳定 非常不利。目前我国的桥梁设计工作者关注的
3、重点多集中于桥梁的抗 弯、抗剪承载能力方面，对桥梁结构的整体稳定性关注不足，此类桥 梁倾覆稳定性不足的问题多被忽略，再加上规范对结构整体倾覆稳定 性验算规定的缺失，以及严重超载、超限车辆的通行，导致了多起桥 梁倾覆事故的发生，造成巨大的经济损失和极其恶劣的社会影响。为 减免独柱支承梁式桥倾覆事故的发生，必须充分重视该类桥梁的倾覆 稳定性。桥梁倾覆类似于结构的“脆性”破坏，防范困难，一旦发生 将造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响，因此独柱支承梁式桥应设 置抗倾覆措施，并安装预警装置，防止倾覆破坏的发生。2.1立交匝道桥梁中墩柱应尽量采用抗扭约束支承， 尽量减少出现独柱 支承形式。2.2立交匝道桥
4、梁受条件限制必须采取独柱支承形式时，应充分重视 其横向受力性能，必须验算其在正常使用阶段及主要施工阶段的倾覆 稳定性。2.3独柱支承梁式桥需选择合理跨径， 控制扭矩峰值和支承反力。常规 情况下，连续梁的边中跨径比不宜小于 0.7，每联长度不宜超过 120 米。C2.3独柱支承梁式桥的边跨过小，边反力整体值小，在偏心荷载作用 下，极易出现负反力造成主梁偏转。同时由于中墩不具备抗扭能力， 其扭转主要由端支承承担，单联长度过长在偏心荷载作用下易形成支 座脱空导致结构整体失稳。2.4独柱支承梁式桥主梁横截面形式必须考虑扭矩的影响，应采用具有 相当抗扭刚度的闭口截面。C2.4独柱支承梁式桥的在偏心荷载作
5、用下，主梁需承担较大的扭矩效应，因此需采用抗扭刚度较好的闭口截面。2.5重载交通线路设计时应根据实际条件，研究确定验算独柱支承梁式 桥倾覆稳定性的荷载标准。C2.5规范规定的车道荷载或车辆荷载均为虚拟荷载，它的具体数值是 由对汽车车队的测定和效应分析得到的。近年来，随着汽车工业的迅 速发展，我国车型不断增多，车型的改变直接导致了车辆轴距、车辆 重量的相继变化。此外，2009年世界经济危机以来，为扩大内需，国 家提供了积极政策鼓励汽车企业提高其销售量，因此整个交通系统车 流密度、车辆间距均发生了较大程度的变化。另一方面，近年来由于 交通运输事业特别是物流行业的飞速发展，车辆超载、超限现象逐渐 增
6、多，这些现象致使桥梁的使用寿命大大缩短、甚至是突然终止。目 前北京北京市存在多条重载交通线路，如京藏高速、 110国道等，设 计时应引起足够的重视。2.6曲线独柱支承梁式桥中墩应设置适当的偏心值，以调整全梁的扭矩分布，改善结构初始状态受力性能。C2.6对于曲线梁桥，自重、二期恒载、预应力荷载、混凝土收缩、徐 变及温度效应等空间力系作用将产生较大的扭矩，通过中墩设置适当 的偏心值，可调整全梁的扭矩分布，从而获得较好的初始状态。2.7独柱支承梁式桥应设置抗倾覆措施。3结构体系3.1独柱支承梁式桥根据受力特点及倾覆破坏特征，可分为三种类型：中墩与主梁间固结的独柱支承梁式桥、中墩与主梁间采用支座连接的
7、直线及平曲线半径大于250m的 曲线独柱支承梁式桥中墩铰接直线独柱支承梁式桥、中墩与主梁间采用支座连接的曲线半径小于250m的独柱支承梁式桥中墩铰接曲线独柱支承梁式桥。C3.1对于采用中墩固结的独柱支承梁式桥，在偏心荷载作用下，随着 主梁扭转效应的增加，中墩所受横向弯矩及水平剪力逐渐增大，当其 内力超出其承载力时，墩柱或基础发生破坏，以强度破坏为主要特征。 中墩铰接直线独柱支承梁式桥，在偏心荷载作用下，随着主梁扭转效 应的增加，边支座出现脱空，导致主梁支承体系发生变化，随着荷载 的进一步增加，结构转化为机构，从而发生倾覆破坏。对于中墩铰接 曲线独柱支承梁式桥，在偏心荷载作用下，随着主梁扭转效应
8、的增加， 边支座首先出现脱空，结构主梁支承体系发生变化，但随着荷载的进 一步增加，结构旋转轴发生变化，从而形成新的力系平衡状态，当荷 载增量导致不能再次形成平衡状态、或因中墩支座破坏导致结构构件 出现强度破坏时，桥梁发生整体倾覆。3.2中墩固结独柱支承梁式桥中墩及其基础应有足够的刚度、强度及 稳定性，设计时应充分考虑主梁最不利扭转变形对下部结构受力的不 利影响。C3.24中墩固结独柱支承梁式桥其倾覆稳定性主要依赖于中墩及其基 础的受力性能，因此应在设计中充分考虑其不利影响。3.3初设阶段，应对独柱支承梁式桥中墩固结体系及中墩铰接体系进 行充分比选，确定最优的结构体系。C3.3中墩固结体系利于保
9、证独柱支承梁式桥的倾覆稳定性，但温度荷 载、混凝土收缩、徐变、主梁预应力效应等因素均对中墩固结的独柱 支承梁式桥下部结构的内力有较大影响。3.4独柱支承梁式桥边墩应采用双支座形式，并应尽可能加大支座间 距，以提供足够的抗扭能力。边墩支座可采用板式橡胶支座、盆式支 座及拉力支座，应根据倾覆稳定性要求验算其变形及受力性能。C3.4独柱支承梁式桥边墩采用双支座，可为结构提供扭转约束，同时 利于支座处于受压状态，且在同等条件下，加大边支座间距可提高结 构的倾覆稳定性能。4倾覆稳定性验算方法及标准4.1独柱支承梁式桥正常使用阶段应验算汽车荷载作用下结构的倾覆 稳定安全性，若在施工阶段需承受较大偏心荷载时
10、，也应验算此种状态下结构的倾覆稳定安全性。C4.1通过前人关于曲线桥梁的研究成果可知，主梁平曲线半径大于等 于250m时，主梁的纵向弯、剪效应基本与直线桥相同；经过独柱 支承桥梁结构内力及稳定性分析课题组研究发现，其扭转效应及倾 覆破坏形态也与直线桥相近，因此将平曲线半径大于等于250m的曲线桥归入直线桥进行研究。4.2当验算一种或几种偏心荷载作用下结构的稳定性时，其余对验算结 果有影响的因素均应在初始状态中充分考虑。C4.2当验算一种或几种偏心荷载作用下结构的稳定性时，对结构初始 状态的把握至关重要，初始状态出现偏差将直接导致得出错误的验算 结论，给结构安全带来隐患。4.3主梁闭口断面部分宽
11、度小于跨径L/2.5的独柱支承梁式桥有限元分析可采用单梁模型，截面抗弯、抗扭刚度应按实际情况模拟；当桥 主梁闭口断面部分宽度大于跨径L/2.5时宜采用平面梁格模型，其中纵、横向抗弯可按实际截面模拟，抗扭刚度应按抗扭刚度分配进行模 拟。C4.3独柱支承梁式桥倾覆稳定为空间受力行为，尤其对于曲线梁桥，自重、二期恒载、预应力荷载、混凝土收缩、徐变及温度效应所产生 的扭矩和扭转变形对结构倾覆稳定性影响较大，因此验算时必须根据 实际结构建立空间模型，准确模拟其力学行为。4.4独柱支承梁式桥有限元计算模型应准确模拟下部结构及支座等连 接构件的力学性能。C4.4下部结构及支座等连接构件的力学性能对独柱支承梁
12、式桥的倾覆 稳定性有较大影响，不恰当的模拟方式将导致得出错误的结果，给结 构安全带来隐患。4.5中墩固结独柱支承梁式桥应验算汽车偏载最不利工况下中墩及其 基础的强度和稳定性，荷载组合及相应验算内容按照公路规范相关规 定执行。C4.5中墩固结独柱支承梁式桥其倾覆稳定性主要依赖于中墩及其基础 的受力性能，此类桥梁倾覆稳定性的验算最终归结为中墩及其基础的 强度及稳定性验算，因此可按照公路规范的荷载组合及相应验算内容 执行。4.6中墩铰接直线独柱支承梁式桥汽车荷载的倾覆稳定安全系数k应按式4-1进行计算，其值不应小于1.5M cdMqc（式 4-1 ）式中：k汽车荷载作用下结构的倾覆稳定安全系数;cd
13、考虑结构初始倾覆效应后，边支座脱空状态结构的抗倾覆力矩；qc 按最不利布载原则，规范汽车荷载作用下结构的最不利倾覆力矩。C4.6由于中墩铰接直线独柱支承梁式桥在整个倾覆过程中旋转轴基本 不变，且边支座脱空后经过很短的历程即发生整体倾覆破坏，因此此 类桥梁倾覆稳定性验算时以边支座脱空为控制指标。中墩铰接直线独 柱支承梁式桥受力特性及验算方法与铁路桥梁相近，因此借鉴现行铁 路桥涵设计基本规范(TB 10002.1-2005 )第条，铁路桥涵钢 筋混凝土及预应力混凝土设计规范(TB 10002.3-2005 )第条 的规定，其倾覆稳定性安全系数不应小于 1.3，同时考虑到独柱支承梁 式桥倾覆稳定性不
14、足的特点，应适当提高其标准，建议中墩铰接直线 独柱支承梁式桥倾覆稳定性安全系数不应小于1.5。当主体结构倾覆稳定安全系数无法达到要求时，可将受力可靠的抗倾覆措施考虑在内4.7中墩铰接曲线独柱支承梁式桥汽车荷载的倾覆稳定安全系数K应按式4-2进行计算，其值不应小于2.5。式中：.M cd、M（式 4-2）qck汽车荷载作用下结构的倾覆稳定安全系数；M cd考虑结构初始倾覆效应后，中墩支座转角达到0.03rad状态结构的抗倾覆力矩；M qc按最不利布载原则，规范汽车荷载作用下结构的最不利倾覆力矩。C4.7中墩铰接曲线独柱支承梁式桥在整个倾覆过程中旋转轴不断变 化，边支座脱空后经过较长的历程后才发生
15、整体倾覆破坏，最终破坏 形式表现为结构无法再次形成平衡状态、或因中墩支座破坏导致桥梁 出现强度破坏，且一般情况下，中墩支座破坏较早发生，因此偏安全 的将中墩支座转角大于0.03rad作为此类桥梁倾覆稳定性验算的控制 指标。中墩铰接曲线独柱支承梁式桥中墩支座转角达到0.03rad时,虽然结构尚未发生整体倾覆，但梁端已发生较大横向转角、水平位移 及竖向位移；梁端伸缩缝、护栏等设施已被破坏。为避免上述情况的发生，同时考虑到桥梁上部结构在预应力空间平面外效应、混凝土收 缩、徐变、温度作用、离心力、制动力等空间力系作用下均有导致发 生倾覆的可能，且中墩铰接曲线桥倾覆稳定性优于中墩铰接直线桥， 采用较大的安全系数不会对结构设计造成较大困难，建议中墩铰接曲 线独柱支承梁式桥倾覆稳定性安全系数不应小于2.5。当主体结构倾覆稳定安全系数无法达到要求时， 可将受力可靠的抗倾覆措施考虑在内。5构造措施5.1独柱支承梁式桥设计时应严格限制桥宽与边支承间距的比值，一般情况下不应大于2。C5.1桥梁宽度与边支承间距的比值是衡量独柱支承梁式桥倾覆稳定性 的重要参数，比值越大则倾覆稳定性越差。5.2独柱支承梁式桥应在边墩处设置抗倾覆装置，以提高结构的倾覆稳 定性能。C5.2对于独柱支承梁式桥，中墩设置抗倾覆措施对结
