桥梁作为公路或城市道路生命线工程，安全性一直是其首要使命。但是，近年桥梁整体倾覆事故频发，造成巨大的经济损失与严重的社会影响，引起了广泛的关注。
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上述桥梁安全事故基本属于梁部整体倾覆（翻落、滑落），梁体和墩台本身并无破坏，或倾覆过程中由于梁体的倾斜致使独柱墩倾斜或倒塌，进而引起梁体完全倾覆。没有因梁体本身强度不足而产生的垮塌等现象。早期的桥梁建设更注重结构的强度问题，倾覆问题认识与研究不足，再加之我国汽车超载情况较严重与复杂，致事故频发。
二、不同规范内容介绍及倾覆机理分析
国内外规范对抗倾覆的验算要求不尽相同，以下列举美国、日本等比较有影响力的规范，及国内公路、铁路桥梁规范的相关规定。
1、美国桥梁规范《AASHTO》（2017年）规定多向活动支座最小支反力不得小于其承载力的20%。
2、日本桥梁规范《道路桥示方书?同解说》（平成24年）规定验算支座负反力时采用恒载支反力RD+2倍活载最大负反力RL+1计算，即RD+2RL+1>0，以控制桥梁倾覆稳定性。
3、《铁路桥涵混凝土结构设计规范》（2017年）：梁式桥跨结构在计算荷载最不利组合作用下，横向倾覆稳定系数不应小于1.3。
4、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》：
（1）2004年版：并无明确抗倾覆计算要求，仅含板式支座不得脱空的规定。
（2）2012年征求意见稿：标准组合支座反力大于零，抗倾覆安全系数K>2.5,倾覆力矩的计算是通过倾覆轴与倾覆轴对应的倾覆区域面积等概念进行推导，将梁体视为刚体。
（3）2018年新规范：基本组合支座反力大于零，抗倾覆安全系数K>2.5没有变化，但不再将梁体视作刚体，考虑了梁体扭转、横向爬移等因素，认为支座脱空是梁体倾覆的首要条件并加以控制，其次通过最不利荷载作用下每个桥墩处支座的倾覆力矩及抵抗力矩进行综合考虑，全桥抗倾覆安全系数K不小于2.5。
对于倾覆验算较为敏感的匝道桥，美国规范及日本规范验算均较为严格，中国公路规范次之，英国规范要求较为宽松。
根据目前相关研究，一般认为桥梁倾覆机理为：
a、梁体在偏载作用下发生弯曲和扭转，导致支反力重分配；
b、当偏载大到一定程度时，远离倾覆轴的单向受压支座脱空，结构约束体系发生变化，梁体绕倾覆轴线转动；
c、随着偏载继续增加，梁体的转动继续加大，梁体开始侧向滑移倾覆，或因梁体转动倾斜对桥墩产生侧向作用力使其破坏，从而使梁体倾覆。
倾覆过程中梁体是结构变形（包括扭转）和刚体运动的结合。在倾覆前期，弯曲变形、扭转变形都会影响支座反力重分布，而且在弯梁桥中存在不同程度的弯扭耦合；在倾覆后期支座脱空后刚体运动可能占更大成分。曲线桥梁抗倾覆是分析计算的核心，根据2012新规范征求意见稿，将桥梁视为刚体运动，曲线桥倾覆区域更小，可以显然的得出抗倾覆能力直线桥不如曲线桥结论，这跟现实中桥梁倾覆案例并不相符。为了避免征求意见稿的计算结论问题，在2018新规范中，将桥梁变形（扭转）考虑进来，通过支座抗扭抵抗距与倾覆力矩的比较来计算抗倾覆稳定性，由于曲线桥倾覆侧支座反力更小，因此会得出曲线桥抗倾覆能力不如直线桥的结论。规范结论与2012征求意见稿截然相反，也反映了抗倾覆理论的认知与发展。
需要指出的是，抗倾覆安全系数并不能等同于活载安全系数或者可超载倍数，并且一般规范活载的可超载倍数远低于2.5。对于较常见的典型公路双支座匝道桥，在抗倾覆系数K达到5.0时，活载安全系数也仅有约1倍，当K约为2.5时，活载基本刚能够满足规范要求，安全富余度较低。
易见，目前抗倾覆安全系数的安全富余度远小于结构承载力安全系数（约2~2.5倍综合安全系数），因此，实际验算操作过程中有部分设计单位出于安全考虑，按照抗倾覆系数K不小于5.0要求。
同时，严格来说活载是非常复杂的，规范中活载安全系数与实际汽车可超载倍数又完全不可等同，其相关性较复杂，具体可参见相关文献，本文不再详述。比如，城市桥梁中55T重车首尾连续密布的情况，虽然车辆并未超载，但仍然属于大幅超规范荷载的范畴（约为规范荷载的2倍以上），因此重车连续排队单侧行驶的情况应当极力避免。相关桥梁超载及特种荷载验算方法具体可参考广东省交通厅《广东省公路独柱墩桥梁设计与整治工程指导意见》及浙江省交通厅《桥梁上部结构抗倾覆验算荷载规定》。
四、应对及补救措施
早期桥梁建设过程中出于节约用地、跨越障碍物等，出现了较多的窄支座间距花瓶墩、单支座独柱墩等，同时我国现阶段超载问题一时难以完全解决、倾覆案例时有发生，排除已建桥梁安全隐患是绕不开的问题。
为提出较合理的解决方案，首先搜集相关设计、及检测资料，判断桥梁技术状况；其次，进行必要的现场勘察，确定净空、施工操作空间等基本条件；最后，根据基础条件提出可行性方案，并进行经济技术综合比较，确定最终的处置方案。
常采用的方案有设置抗拔装置、改变支承方式、加强固结墩强度等。
方案一：设置抗拔装置
通过在桥墩增设抗拔装置，避免支座脱空从而进入倾覆状态。该方案构造简单，施工方便，造价较低；但由于锚固构造及空间限制，抗拔力有限，因此应用范围较小。
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抗拔设施案例（根据构造情况设置于纵向或横向）
方案二：改变支承方式
在上部结构允许的条件下尽可能通过增加后浇混凝土、钢托梁等构造后拉大或增设支座，甚至增加墩柱个数实现增加支座，以增强抗倾覆性能。改方案适用大多数桥梁改造方案，具体应根据实际情况选用。
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改变支承方案案例
方案三：加强固结墩强度
对于匝道桥大量独柱墩墩梁固结的结构，结构倾覆的最终状态应是以墩柱压弯强度不足或剪切破坏为特征，因此加强墩柱压弯承载力及抗剪承载力是较为有效抗倾覆措施，一般才采用外包混凝土同时增加钢筋的方式实现。
五、总结
经历了数起桥梁倾覆重大安全事故，工程人员对桥梁抗倾覆研究和认识也逐渐深入，新的2018公路桥梁规范在考虑梁体扭转变形的基础上给出了新的抗倾覆计算方法，相较于以往的计算方法更为科学合理。但由于抗倾覆计算活载富余度与结构承载力富余度尚存在一定不匹配情况，相较于日本、美国规范更为严格的规定，以及我国公路的超载现状，实际工程中应尽可能的通过超前谋划、方案制定、征地预案等方面提高结构抗倾覆性能，在经济及总体方案允许的情况下，适当考虑提高结构抗倾覆能力，保证结构的安全性。最后对现状桥梁抗倾覆加固措施提出了一些较为常用的方案，包括设置抗拔装置、改变支承方式、加强固结墩强度等，希望能对实际工程应用提供一些参考。
参考文献
[1]JTG D62-2004公路混凝土混凝土及预应力混凝土设计规范[S].
[2]JTG D62-2012公路混凝土混凝土及预应力混凝土设计规范（征求意见稿）[S].
[3]JTG 3362-2018公路混凝土混凝土及预应力混凝土设计规范[S].
[4]TB 10092-2017 铁路桥涵混凝土结构设计规范[S].
[5]American Association of State Highway and Transportion Officials.AASHTO LRFD Bridge Design Specifications 2017[S].
[6]日本道路協会.道路橋示方書?同解説(共通編)平成24年[S]
[7]浙公路[2009]102号，桥梁上部结构抗倾覆验算荷载的规定[S]．
[8]粤交基[2015]1049号，广东省公路独柱墩桥梁设计与整治工程指导意见[S]．
论文作者:侯帆
论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年2期
论文发表时间:2020/3/16
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