首页注释：本案例探讨了偏载作用下箱梁桥抗倾覆稳定性分析问题。本案例涉及到的内容主要有桥梁倾覆破坏机理及抗倾覆稳定性判断准则，偏载作用下的多跨连续梁桥产生梁体扭转变形，在确定抗倾覆稳定系数时，将弹性体问题采用刚体的计算方法是否正确进行了探索,箱梁桥抗倾覆稳定设计和建议。作者：刘芳平，桥梁与隧道工程专业，工学博士，副教授，硕士生导师，主要从事桥梁结构监测与检测、加固与评定、结构性能退化等方面的研究；工作单位：必赢线路检测3003。  

摘要：连续钢箱梁桥在城市高架以及高速互通式立交中得到了广泛应用。由于桥梁的跨度较大，连续钢箱梁桥往往在桥面局部有超高加宽现象。当活载有较大偏载现象时，由于钢箱梁自重较轻，偏载侧支座受力过大而另一侧出现脱空，梁体发生整体偏转，桥梁将出现倾覆事故。本案例是针对偏载作用下箱梁桥抗倾覆稳定性问题，结合理论分析使员工对偏载作用下箱梁桥抗倾覆稳定性有深入的了解，熟悉偏载作用下箱梁桥抗倾覆稳定性问题试验分析过程，组织员工进行其它类似案例的练习，为员工今后解决同类型工程问题提供理论支撑和实践经验。  

关键词：偏载作用；箱梁桥；偏载；倾覆  

引言：近年发生数起箱梁桥在重载车偏载作用下倾覆倒塌的事故，引起了人们广泛的关注。通过对比国内外桥梁设计规范，并对某桥案例进行了分析，提出箱梁桥抗倾覆稳定设计的建议和值得研究的问题:偏载作用下的多跨连续梁桥将产生梁体扭转变形，在确定抗倾覆稳定系数时，将弹性体问题采用刚体的计算方法是不正确的;桥梁设计中应综合考虑桥梁竖向强度的可靠指标，确定合理的横向整体倾覆稳定系数，避免横向整体倾覆失稳先于竖向强度破坏。  

背景介绍：2012年8月24日5时许，哈尔滨市三环路高架桥洪湖路上桥匝道处钢混叠合梁侧滑，4辆货车侧翻，造成3人死亡、5人受伤。此次塌桥与津晋高速公路、浙江省上虞春晖互通立交桥的坍塌事故有相似之处。事件发生后，在人们讨论桥梁质量的同时，“箱梁桥抗倾覆稳定性”这一结构也引起了人们的争议，可谓瑕瑜互见。目前国内超载问题严重，虽然法制健全但执法力度不足，货车司机安全意识薄弱且一味追求利益。这也非一朝一夕可以改变。作为桥梁工程师，只能自修内功，从设计思路等方面对其多多思考，进行改善与提高。  

内容：    

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，发生过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。  

一、桥梁倾覆破坏机理及抗倾覆稳定性判断准则    

（一）桥梁倾覆破坏机理    

根据钢箱梁结构的倾覆破坏发展过程来看，其破坏机理主要分为以下2种  

1.偏载引起的桥梁结构的倾覆力矩小于其抗倾覆力矩，但横向约束支座承受较大的水平力，桥梁墩底截面出现压弯破坏，进而导致上部结构落梁。  

2.偏载引起的桥梁结构的倾覆力矩大于其抗倾覆力矩，远离荷载作用位置的支座全部脱空，桥梁整体抗扭刚度基本失效，结构在整体大转动和竖向弹性弯曲组合变形下整体倾覆。  

连续梁桥的横向稳定问题为主梁、墩柱结构联合抵抗作用下的结构整体稳定问题，其支座是否脱空不能作为横向稳定性的惟一判别条件，而需综合分析主梁的倾覆力矩与抗倾覆力矩的大小关系以及墩柱的承载能力。  

（二）桥梁倾覆稳定性判断准则    

根据桥梁的倾覆破坏机理，桥梁倾覆破坏的判断准则可分为以下3个方面:  

1.远离偏载侧的支座是否全部脱空。  

2.远离偏载侧支座全部脱空后，主梁结构自身的抗倾覆力矩是否大于偏载的倾覆力矩。  

3.靠近偏载侧的墩柱是否在水平力和竖向力作用下出现压弯破坏。  

二、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。  

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。   

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。本文通过下面的实例进行分析比较。  

   

三、钢箱梁桥实例分析与对比    

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。  

   

图1 某桥平面及上部结构横断面布置示意图（单位：m)  

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。  

四、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：  

（一）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  

（二）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。  

（三）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。对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。  

2.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；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.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。此系数对于一般城市桥梁或交通量小的桥梁可取1.3,对于高等级公路桥梁或重载交通的桥梁可取2.0及以上。  

2.在设计活载偏载作用下，限制梁体的扭转角不超过支座容许的最大转动角度。  

3.高等级公路桥梁或重载交通的桥梁中，避免采用多跨连续独柱墩单支座的结构形式。  

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。  

五、小结    

偏载作用下箱梁桥结构横向整体倾覆失稳属于第二类稳定问题,是脆性破坏、瞬间发生的，一旦发生所造成的损失是惨重的。本文通过对国内外桥梁设计规范对比和案例分析得出以下结论和建议:  

（一）偏载作用下的多跨连续梁桥将产生梁体扭转变形，在确定抗倾覆稳定系数时，将弹性体问题采用刚体的计算方法是不正确的。现阶段设计中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更为合理,对于- .般城市桥梁或交通量小的桥梁可取1.3,对于高等级公路桥梁或重载交通的桥梁可取2.0及以上。  

（二）建议针对桥梁不同的限载标准，制定合理的车列模型用于横向整体倾覆稳定性的验算。桥梁设计中应综合考虑桥梁竖向强度的可靠指标，确定合理的横向整体稳定系数，避免横向整体倾覆失稳先于竖向强度破坏。  

（三）桥梁橡胶支座的橡胶为超弹性体材料.建议对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进行深入研究，为制定合理的结构横向整体稳定系数和对在役桥梁的评估与加固提供技术支持。设计中应限制梁体的扭转角，并采取可靠的横向限位措施，避免梁体的倾斜滑落。  

   

偏载作用下箱梁桥抗倾覆稳定性分析案例    

教学指导手册    

教学目的与用途：    

1.本案例适用于全日制土木水利工程类硕士专业结构工程方向研究生的方向选修课程《桥梁设计理论》。桥梁工程中，连续钢箱梁桥在城市高架以及高速互通式立交中得到了广泛应用。由于桥梁的跨度较大，连续钢箱梁桥往往在桥面局部有超高加宽现象。当活载有较大偏载现象时，由于钢箱梁自重较轻，偏载侧支座受力过大而另一侧出现脱空，梁体发生整体偏转，桥梁将出现倾覆事故。所以对偏载作用下箱梁桥抗倾覆稳定性分析研究是必不可少的，对保证桥梁安全使用有着重要的意义。  

2.通过此教学案例，使研究生掌握偏载作用下箱梁桥抗倾覆稳定性分析有关问题，以及桥梁倾覆破坏机理及抗倾覆稳定性判断准则，偏载作用下的多跨连续梁桥产生梁体扭转变形，在确定抗倾覆稳定系数时，将弹性体问题采用刚体的计算方法是否正确进行了探索,箱梁桥抗倾覆稳定设计和建议。此外，此教学案例也可用于道路与桥梁工程相关本科专业的教学。  

3.通过案例讲解使员工对偏载作用下箱梁桥抗倾覆稳定性问题进行深入的分析与探讨，在此基础上通过组织员工进行其它类似案例的实践，为员工今后进行科研、工程建造提供理论支撑和实践经验。  

教学内容：    

1.涉及知识点  

（1）桥梁倾覆破坏机理及抗倾覆稳定性判断准则；  

（2）偏载作用下的多跨连续梁桥产生梁体扭转变形，在确定抗倾覆稳定系数时，将弹性体问题采用刚体的计算方法是否正确进行了探索；  

（3）桥梁设计中应综合考虑桥梁竖向强度的可靠指标，确定合理的横向整体倾覆稳定系数，避免横向整体倾覆失稳先于竖向强度破坏；  

（4）箱梁桥抗倾覆稳定设计和建议。  

2.理论依据及分析思路  

（1）理论依据：  

通过对比国内外桥梁设计规范，并对某桥案例进行了分析，提出箱梁桥抗倾覆稳定设计的建议和值得研究的问题:偏载作用下的多跨连续梁桥将产生梁体扭转变形，在确定抗倾覆稳定系数，将弹性体问题采用刚体计算方法是不正确的;桥梁设计中应综合考虑桥梁竖向强度的可靠指标，确定合理的横向整体倾覆稳定系数，避免横向整体倾覆失稳先于竖向强度破坏所以对偏载作用下箱梁桥抗倾覆稳定性分析研究是必不可少的，对保证桥梁安全使用有着重要的意义。  

（2）分析思路  

本案例刚开始是回顾了以前发生过数起箱梁桥在多辆重载车偏载作用下倒塌的事故，然后对事故原因进行了简单的分析，并讲述了桥梁倾覆破坏机理和抗倾覆稳定性判断准则以及国内外相应的设计规范，再对钢箱梁桥进行实例分析与对比，并提出了有待进一步研究的问题与建议，最后再进行总结。  

本案例结合自身特点，按照偏载作用下箱梁桥抗倾覆稳定性问题来进行分析与讲解的。  

建议课堂计划：    

时间安排：根据教学需要，整个案例课的课堂时间控制在6学时，以便比较充分地了解案例所涉及的知识点，以下是根据课程时间进度安排的课堂学习计划。  

课前计划：发放案例材料，提出课后思考题，请员工在课前完成阅读和初步思考。  

课中计划：课堂前言，明确该案例主题（20分钟）；案例讲述，案例总体介绍，引导员工分析和认真学习该案例的理论知识点，并提出思考题（120分钟）；分组讨论（20分钟）；小组发言（20分钟一个小组，4组）；案例总结：包括案例中的关键知识点，以及如何运用理论知识去分析和解决实际问题（30分钟）。  

课后计划：通过案例分析和总结，使员工掌握施工监控知识，然后布置相关作业，以论文或者报告形式写出案例分析，并对难点和易错点可以进一步研究。  

参考文献:    

1.李盼道．独柱支撑匝道桥抗倾覆验算汽车荷载研究．桥梁建设，2012  

2.梁峰．三跨独柱连续梁桥抗倾覆能力研究．公路，2009  

3.刘飞．独柱曲线刚构匝道桥抗倾覆稳定试验研究．兰州交通大学学报，2012  

4.袁摄桢．单柱宽幅连续梁桥横向倾覆稳定性探讨．中外建筑，2008  

5.武宏晓．连续独柱墩桥梁抗倾覆安全评价设计方案．城市道桥与防洪，2010  

6.JTG D62，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范  

7.TB 10002.1-2005，铁路桥涵设计基本规范[S]．  

8.American Association of State Highway and Transportation Officials．AASHTO LRFD Bridge Design Specifications(2007)．  

9.日本道路協会．道路橋示方書．同解説（共通編）．東京：丸善株式会社，2001.  

10.GB 50153-2008，工程结构可靠性设计统一标准．  

11.李晓芳，杨晓翔．橡胶材料的超弹性本构模型．弹性体，2005  

12.王璐，．ABAQUS软件在弹性滑移支座非线性有限元分析中的应用．南京工业大学学报（自然科学版），2010