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摘要：依托实际工程，依据现行桥梁规范及广东省相关经验，对G106大桥独柱墩设计，从独柱墩的极限状态承载能力、结构整体稳定性、活载最不利布置情况下支座是否脱空等多个角度出发，对独柱墩桥梁进行抗倾覆能力进行验算分析，确保本桥结构的安全性，以期对往后类似工程提供借鉴。
关键词：大桥;独柱墩;抗倾覆能力;穩定性;极限承载能力
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：（2020）-01-236
一、概述
近年来，伴随着高速公路和城市公路桥梁的快速发展，由于受地形、地物、占地及景观等建设条件的影响，独柱墩支撑桥梁设置较为普遍，主要出现在桥梁上跨被交路、互通立交匝道桥、城市桥梁等桥梁建设中。这种桥梁结构形式对下部结构桥墩受力较为不利，桥梁结构工程师在设计和施工过程中往往会重点关注桥梁上部结构的抗弯、抗剪等承载能力分析，而对于下部结构受车辆偏心荷载、超载等作用的考虑偏于不足，容易忽略其安全性能。在建成运营后，此类桥梁结构倾覆、垮塌等事故已有较多案例，对国家造成重大经济损失[1]，因而在全国桥梁建设中引起高度重视，并在全国范围内对已建成的类似桥梁的安全性进行排查，甚至在部分地区明确新建桥梁工程中禁用或避免采用独柱墩支撑的类似结构形式。对独柱墩桥梁出现的问题，应引起高度重视，在设计和建设过程中，应综合考虑各种因素对主梁和墩柱受力的不利影响。本文依据实际工程，根据独柱墩桥梁的受力特点，从不同角度对G106大桥独柱墩抗倾覆能力进行研究分析，并指导设计，以确保本桥建设和使用的安全性。
二、工程概况
XX高速公路是国家高速公路网规划“71118”布局方案中第17横——汕头至昆明高速公路的重要路段，也是广东省“九纵五横两环”高速公路网规划主骨架中“一横”的重要组成部分。采用双向四车道标准建设，路基宽度26m，设计速度100km/h。
拟建K167+205.5 G106大桥位于青塘镇刘屋村西南120 米处，为跨越国道G106及丘陵间凹地而设。
国道G106现状宽23m，本项目拟对交叉处前后150m进行改造，改造后道路等级为双向四车道一级公路，全宽24.5m，其中中央分隔带宽3m，左侧路缘带宽2×0.5m，行车道宽4×3.75m，硬路肩宽2×2.0m，土路肩宽2×0.75m。大桥拟在G106中央分隔带设墩，按远期预留双向六车道净空设计。
三、桥梁布置
G106大桥位于直线段上，与G106线交角约30度，纵坡3.6%，桥面双向横坡2%，桥梁布置受路线交叉角度及预留桥下6车道通行净空所限，设计采用在被交路中央设置独柱桥墩、两孔桥梁上跨的方式跨越G106。
桥梁采用上下行分离式断面，左幅桥梁起点桩号为K167+026.7，终点桩号为K167+409.3，桥梁全长为382.6m，桥跨径组成为7×25+（22+40+40+25）+3×25m;右幅桥梁起点桩号为K167+026.7，终点桩号为K167+384.3，桥梁全长为357.6m，桥跨径组成为6×25+（25+40+40+22）+3×25m。桥面净宽2×11.5m，桥梁全宽25.5m，桥梁采用正交布置。
G106大桥利用22+2×40+25m（25+2×40+22m）上跨G106，上部结构均采用现浇预应力混凝土连续箱梁，下部结构采用柱式桥墩，其中两孔40m桥跨之间设置独柱墩，位于G106中央分割带，设置两根桩基础，桥墩直径2m，墩帽2m高范围内渐变直径3m，并与上部箱梁固结连接;其余均采用双柱墩，柱顶设支座，单排桩基础。
独柱墩设置详见下表。
桥梁布置平立面及支撑间距详见下图（单幅桥）。
四、独柱墩桥梁抗倾覆验算
4.1 参考规范及标准
（1）《公路工程技术标准》JTG B01-2014;
（2）《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004;
（3）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004。
4.2 设计采用主要材料及参数
混凝土、钢绞线和钢筋等材料的弹性模量、设计抗压（拉）强度等基本参数均按规范取值。
（1） 混凝土
主梁混凝土等级：C50。
弹性模量：34500MPa。
沥青混凝土容重：24kN/ m3。
钢筋混凝土容重：26kN /m3。
（2） 预应力钢绞线
预应力钢绞线采用抗拉强度标准值fpk=1860MPa、公称直径d=15.2mm的低松弛高强度钢绞线，其各项技术性能符合《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T5224-2003）的规定。
4.3 荷载取值与荷载组合
（1）恒载
恒载包括一期恒载和二期恒载，均按实际断面计取重量。一期恒载包括主梁、端横梁、中横梁等重量;二期恒载包括护栏、桥面铺装等。
（2）活载
汽车活载采用公路-Ⅰ级。体系温差按照整体升温20℃、降温25℃计算;温度梯度值按《公路桥涵设计通用规范》采用。设计基本风速取V10=27.2m/s，基本风压W0=450Pa。
（3）基础不均匀沉降
固结墩按沉降10mm考虑，其余桥墩均按沉降5mm考虑。
（4）收缩徐变
按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》计算。
（5）荷载组合
按《公路桥涵设计通用规范》要求进行组合。
4.4 计算方法及模型
结构验算按梁格理论进行，根据桥梁的实际施工过程和施工方案划分施工阶段;荷载组合均按照规范要求执行。 将箱梁截面沿横桥向划分为15条纵梁，纵梁之间通过横梁相连，离散后的结构模型共计1231个节点，2210个单元。
4.5 计算结果
本桥抗倾覆验算的主要内容为：独柱墩的极限状态承载能力验算;结构整体稳定性验算;对活载最不利布置情况下支座是否脱空进行验算。
4.5.1 独柱墩极限状态承载能力验算
（1）极限状态下独柱墩的面内和面外的抗弯承载能力计算结果如下，从图中可以看出，独柱墩面内外均满足抗弯承载能力要求。
（2）极限状态下独柱墩的面内和面外的抗压承载能力计算结果如下，从图中可以看出，独柱墩面内外均满足抗压承载能力要求。
4.5.2 结构整体稳定性验算
结构的第一阶失稳模态如下图，为桥墩的纵桥向失稳，该模态下的稳定系数K=16.1。
4.5.3 支座脱空验算
在最不利活载布置情况下，各支点的反力如下，从表中看可见各支座均未脱空。
4.6 补充验算
对独柱墩连续箱梁桥横向抗倾覆安全性验算补充以下验算内容：
本桥中墩（计算模型中为8号桥墩）采用墩梁固结型式，根据会议纪要精神，本次主要对单向受压支座的受压状态和固结中墩的压弯强度进行补充验算，验算内容如下：
（1）单向受压支座的受压状态验算
根据条文说明“经对高速公路实际通行车辆进行分析，存在重载货车偏载密集排队现象，危害桥梁的抗倾覆稳定性。针对该现象，经初步计算，在横桥向仅偏载布置一个车道的情况下， 需将汽车荷载效应分项系数提高为 3.4。”因此在建立模型时偏载布置一个车道，荷载组合时将汽车荷载效应分项系数提高为3.4.模型如下图所示。
根据横向抗倾覆安全评估时的补充验算要求第一条“在作用基本组合下，单向受压支座應始终保持受压状态。当汽车荷载效应分项系数为3.4时，单向受压支座宜保持受压状态。”当汽车荷载效应分项系数为3.4时，受压支座最小支反力验算结果如下表所示。
（2）固结中墩的压弯强度验算
根据横向抗倾覆安全评估时的补充验算要求第四条“在作用基本组合下，汽车荷载效应分项系数为3.4时，固结中墩压弯强度应满足设计规范的要求。” 当汽车荷载效应分项系数为3.4时，固结中墩墩底的最大轴力为18105.3kN<抗压承载力56986.2kN，最大弯矩为1443.4 kN·m <抗弯承载力2861.1kN·m。
4.7 再补充验算
对独柱墩连续箱梁桥横向抗倾覆安全性验算补充以下验算内容：
本补充验算主要针对单向受压支座的抗倾覆稳定性系数进行验算。
根据条文要求，选取最不利的车道荷载布载方式进行计算，将车道荷载以静力荷载的方式施加于结构上，并考虑了汽车荷载冲击系数及横向分布系数。考虑到重载货车偏载密集排队现象，将汽车荷载效应分项系数提高为3.4。计算结果如下表所示。
从上述表格看出，抗倾覆稳定性系数计算值=3.38>kqf=2.5，满足要求。
4.8 结论
根据现行公路桥涵规范验算结论：
① 独柱墩的极限状态承载能力满足规范要求。
② 结构第一阶失稳模态为纵向反对称失稳，稳定系数为16.1。
③ 在最不利活载布置情况下各支座均未脱空。
根据《广东省高速公路独柱墩连续箱梁桥横向抗倾覆安全性评估验算指导意见》验算结论：
④ 在作用基本组合下，当汽车荷载效应分项系数为3.4时，单向受压支座均保持受压状态。
⑤ 在作用基本组合下，汽车荷载效应分项系数为3.4时，固结中墩压弯强度满足设计规范的要求。
根据《独柱墩桥梁横向抗倾覆安全性评估验算指导细则》验算结论：
⑥ 在作用标准组合下，抗倾覆稳定性系数计算值大于2.5，满足验算要求。
五、结语
在G106大桥独柱墩桥梁设计过程中，分别依据现行公路桥梁规范和广东省交通建设指导意见，对桥梁的抗倾覆能力进行了多方面分析研究，确保桥梁结构的安全性，并以期对类似桥梁结构的设计和建设起一定借鉴作用。
参考文献
[1] 林晓娟. 独柱墩桥梁常见问题及原因分析[J]. 工程与建设， 2013，27（2）：198-200.
关键词：大桥;独柱墩;抗倾覆能力;穩定性;极限承载能力
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：（2020）-01-236
一、概述
近年来，伴随着高速公路和城市公路桥梁的快速发展，由于受地形、地物、占地及景观等建设条件的影响，独柱墩支撑桥梁设置较为普遍，主要出现在桥梁上跨被交路、互通立交匝道桥、城市桥梁等桥梁建设中。这种桥梁结构形式对下部结构桥墩受力较为不利，桥梁结构工程师在设计和施工过程中往往会重点关注桥梁上部结构的抗弯、抗剪等承载能力分析，而对于下部结构受车辆偏心荷载、超载等作用的考虑偏于不足，容易忽略其安全性能。在建成运营后，此类桥梁结构倾覆、垮塌等事故已有较多案例，对国家造成重大经济损失[1]，因而在全国桥梁建设中引起高度重视，并在全国范围内对已建成的类似桥梁的安全性进行排查，甚至在部分地区明确新建桥梁工程中禁用或避免采用独柱墩支撑的类似结构形式。对独柱墩桥梁出现的问题，应引起高度重视，在设计和建设过程中，应综合考虑各种因素对主梁和墩柱受力的不利影响。本文依据实际工程，根据独柱墩桥梁的受力特点，从不同角度对G106大桥独柱墩抗倾覆能力进行研究分析，并指导设计，以确保本桥建设和使用的安全性。
二、工程概况
XX高速公路是国家高速公路网规划“71118”布局方案中第17横——汕头至昆明高速公路的重要路段，也是广东省“九纵五横两环”高速公路网规划主骨架中“一横”的重要组成部分。采用双向四车道标准建设，路基宽度26m，设计速度100km/h。
拟建K167+205.5 G106大桥位于青塘镇刘屋村西南120 米处，为跨越国道G106及丘陵间凹地而设。
国道G106现状宽23m，本项目拟对交叉处前后150m进行改造，改造后道路等级为双向四车道一级公路，全宽24.5m，其中中央分隔带宽3m，左侧路缘带宽2×0.5m，行车道宽4×3.75m，硬路肩宽2×2.0m，土路肩宽2×0.75m。大桥拟在G106中央分隔带设墩，按远期预留双向六车道净空设计。
三、桥梁布置
G106大桥位于直线段上，与G106线交角约30度，纵坡3.6%，桥面双向横坡2%，桥梁布置受路线交叉角度及预留桥下6车道通行净空所限，设计采用在被交路中央设置独柱桥墩、两孔桥梁上跨的方式跨越G106。
桥梁采用上下行分离式断面，左幅桥梁起点桩号为K167+026.7，终点桩号为K167+409.3，桥梁全长为382.6m，桥跨径组成为7×25+（22+40+40+25）+3×25m;右幅桥梁起点桩号为K167+026.7，终点桩号为K167+384.3，桥梁全长为357.6m，桥跨径组成为6×25+（25+40+40+22）+3×25m。桥面净宽2×11.5m，桥梁全宽25.5m，桥梁采用正交布置。
G106大桥利用22+2×40+25m（25+2×40+22m）上跨G106，上部结构均采用现浇预应力混凝土连续箱梁，下部结构采用柱式桥墩，其中两孔40m桥跨之间设置独柱墩，位于G106中央分割带，设置两根桩基础，桥墩直径2m，墩帽2m高范围内渐变直径3m，并与上部箱梁固结连接;其余均采用双柱墩，柱顶设支座，单排桩基础。
独柱墩设置详见下表。
桥梁布置平立面及支撑间距详见下图（单幅桥）。
四、独柱墩桥梁抗倾覆验算
4.1 参考规范及标准
（1）《公路工程技术标准》JTG B01-2014;
（2）《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004;
（3）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004。
4.2 设计采用主要材料及参数
混凝土、钢绞线和钢筋等材料的弹性模量、设计抗压（拉）强度等基本参数均按规范取值。
（1） 混凝土
主梁混凝土等级：C50。
弹性模量：34500MPa。
沥青混凝土容重：24kN/ m3。
钢筋混凝土容重：26kN /m3。
（2） 预应力钢绞线
预应力钢绞线采用抗拉强度标准值fpk=1860MPa、公称直径d=15.2mm的低松弛高强度钢绞线，其各项技术性能符合《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T5224-2003）的规定。
4.3 荷载取值与荷载组合
（1）恒载
恒载包括一期恒载和二期恒载，均按实际断面计取重量。一期恒载包括主梁、端横梁、中横梁等重量;二期恒载包括护栏、桥面铺装等。
（2）活载
汽车活载采用公路-Ⅰ级。体系温差按照整体升温20℃、降温25℃计算;温度梯度值按《公路桥涵设计通用规范》采用。设计基本风速取V10=27.2m/s，基本风压W0=450Pa。
（3）基础不均匀沉降
固结墩按沉降10mm考虑，其余桥墩均按沉降5mm考虑。
（4）收缩徐变
按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》计算。
（5）荷载组合
按《公路桥涵设计通用规范》要求进行组合。
4.4 计算方法及模型
结构验算按梁格理论进行，根据桥梁的实际施工过程和施工方案划分施工阶段;荷载组合均按照规范要求执行。 将箱梁截面沿横桥向划分为15条纵梁，纵梁之间通过横梁相连，离散后的结构模型共计1231个节点，2210个单元。
4.5 计算结果
本桥抗倾覆验算的主要内容为：独柱墩的极限状态承载能力验算;结构整体稳定性验算;对活载最不利布置情况下支座是否脱空进行验算。
4.5.1 独柱墩极限状态承载能力验算
（1）极限状态下独柱墩的面内和面外的抗弯承载能力计算结果如下，从图中可以看出，独柱墩面内外均满足抗弯承载能力要求。
（2）极限状态下独柱墩的面内和面外的抗压承载能力计算结果如下，从图中可以看出，独柱墩面内外均满足抗压承载能力要求。
4.5.2 结构整体稳定性验算
结构的第一阶失稳模态如下图，为桥墩的纵桥向失稳，该模态下的稳定系数K=16.1。
4.5.3 支座脱空验算
在最不利活载布置情况下，各支点的反力如下，从表中看可见各支座均未脱空。
4.6 补充验算
对独柱墩连续箱梁桥横向抗倾覆安全性验算补充以下验算内容：
本桥中墩（计算模型中为8号桥墩）采用墩梁固结型式，根据会议纪要精神，本次主要对单向受压支座的受压状态和固结中墩的压弯强度进行补充验算，验算内容如下：
（1）单向受压支座的受压状态验算
根据条文说明“经对高速公路实际通行车辆进行分析，存在重载货车偏载密集排队现象，危害桥梁的抗倾覆稳定性。针对该现象，经初步计算，在横桥向仅偏载布置一个车道的情况下， 需将汽车荷载效应分项系数提高为 3.4。”因此在建立模型时偏载布置一个车道，荷载组合时将汽车荷载效应分项系数提高为3.4.模型如下图所示。
根据横向抗倾覆安全评估时的补充验算要求第一条“在作用基本组合下，单向受压支座應始终保持受压状态。当汽车荷载效应分项系数为3.4时，单向受压支座宜保持受压状态。”当汽车荷载效应分项系数为3.4时，受压支座最小支反力验算结果如下表所示。
（2）固结中墩的压弯强度验算
根据横向抗倾覆安全评估时的补充验算要求第四条“在作用基本组合下，汽车荷载效应分项系数为3.4时，固结中墩压弯强度应满足设计规范的要求。” 当汽车荷载效应分项系数为3.4时，固结中墩墩底的最大轴力为18105.3kN<抗压承载力56986.2kN，最大弯矩为1443.4 kN·m <抗弯承载力2861.1kN·m。
4.7 再补充验算
对独柱墩连续箱梁桥横向抗倾覆安全性验算补充以下验算内容：
本补充验算主要针对单向受压支座的抗倾覆稳定性系数进行验算。
根据条文要求，选取最不利的车道荷载布载方式进行计算，将车道荷载以静力荷载的方式施加于结构上，并考虑了汽车荷载冲击系数及横向分布系数。考虑到重载货车偏载密集排队现象，将汽车荷载效应分项系数提高为3.4。计算结果如下表所示。
从上述表格看出，抗倾覆稳定性系数计算值=3.38>kqf=2.5，满足要求。
4.8 结论
根据现行公路桥涵规范验算结论：
① 独柱墩的极限状态承载能力满足规范要求。
② 结构第一阶失稳模态为纵向反对称失稳，稳定系数为16.1。
③ 在最不利活载布置情况下各支座均未脱空。
根据《广东省高速公路独柱墩连续箱梁桥横向抗倾覆安全性评估验算指导意见》验算结论：
④ 在作用基本组合下，当汽车荷载效应分项系数为3.4时，单向受压支座均保持受压状态。
⑤ 在作用基本组合下，汽车荷载效应分项系数为3.4时，固结中墩压弯强度满足设计规范的要求。
根据《独柱墩桥梁横向抗倾覆安全性评估验算指导细则》验算结论：
⑥ 在作用标准组合下，抗倾覆稳定性系数计算值大于2.5，满足验算要求。
五、结语
在G106大桥独柱墩桥梁设计过程中，分别依据现行公路桥梁规范和广东省交通建设指导意见，对桥梁的抗倾覆能力进行了多方面分析研究，确保桥梁结构的安全性，并以期对类似桥梁结构的设计和建设起一定借鉴作用。
参考文献
[1] 林晓娟. 独柱墩桥梁常见问题及原因分析[J]. 工程与建设， 2013，27（2）：198-200.