某連續(xù)箱梁彎橋抗傾覆驗(yàn)算及支座更換設(shè)計(jì)

丁志凱 張志文

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 430052）

獨(dú)柱墩連續(xù)梁橋由于其截面形式流暢、獨(dú)柱墩占用橋下空間小、外型輕巧、整體結(jié)構(gòu)美觀，廣泛應(yīng)用于城市橋梁和高速公路互通立交匝道橋中。但由于其截面下緣有部分弧線、且獨(dú)柱墩墩頂較窄，使得同一墩頂支座布置的橫向間距不大，在汽車偏載作用下，對結(jié)構(gòu)的橫向抗傾覆穩(wěn)定性非常不利［1－2］。大量的事實(shí)證明，在偶然偏心荷載作用下，獨(dú)柱墩橋梁可能發(fā)生整體橫向失穩(wěn)，而我國大部分橋梁工作者比較關(guān)注的是橋梁抗彎、抗剪承載力是否滿足規(guī)范要求，對橋梁的橫向抗傾覆能力關(guān)注不夠［3］。本文以廣東某立交橋南引橋獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁彎橋?yàn)槔?，對其抗傾覆能力進(jìn)行驗(yàn)算，評價(jià)其安全性，并提出對其更換支座的方案。

1 橋梁概況

該橋南引橋?yàn)?×18．44m普通鋼筋混凝土連續(xù)箱梁彎橋，橋梁全寬13．6m，橋面凈寬12．8 m，雙向2車道。箱梁高1．3m，單箱雙室結(jié)構(gòu)，墩（臺(tái)）頂處設(shè)置40cm厚的橫隔梁。南引橋道路中心線為緩和曲線，彎曲半徑R＝31．20m。下部構(gòu)造過渡墩為雙柱式墩，中間墩為獨(dú)柱式墩，全橋墩臺(tái)均為雙支座，橋臺(tái)及過渡墩支座間距4m，中間墩支座間距0．8m。南引橋6號(hào)墩及11號(hào)臺(tái)設(shè)置抗扭支座。橋梁的設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為：汽車－20級(jí)，掛－100。

2 抗傾覆驗(yàn)算

我國現(xiàn)行公路橋梁規(guī)范中，對橫向傾覆穩(wěn)定性沒有詳細(xì)規(guī)定，較常規(guī)的評定方法是支座不出現(xiàn)負(fù)反力。因此，抗傾覆驗(yàn)算采用支座不出現(xiàn)負(fù)支反力作為評定橋梁橫向抗傾覆能力的評定標(biāo)準(zhǔn)。

2．1 支座的模擬

首先，在支座下端建立節(jié)點(diǎn)，并將所有的支座節(jié)點(diǎn)按固結(jié)約束，這是一種模擬實(shí)際情況的建模方法。然后，復(fù)制支座節(jié)點(diǎn)到梁底標(biāo)高位置生成支座頂部節(jié)點(diǎn)，并將支座節(jié)點(diǎn)與復(fù)制生成的頂部節(jié)點(diǎn)用“彈性連接”中的“一般類型”進(jìn)行連接，并按實(shí)際支座剛度定義一般彈性連接的剛度，相當(dāng)于建立一個(gè)支座單元，其3個(gè)方向的剛度值則是由實(shí)際工程中支座的類型和尺寸來提供。最后，再建立支座頂部節(jié)點(diǎn)與主梁節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系。此時(shí)將利用Civil提供的“剛性連接”，以主梁節(jié)點(diǎn)作為主節(jié)點(diǎn)，支座頂部單元作為從節(jié)點(diǎn)，將其連接起來。這樣將主梁節(jié)點(diǎn)與支座頂部節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)受力的整體，目的也是為了真實(shí)模擬其受力情況。

2．2 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

主梁結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，有限元計(jì)算時(shí)將結(jié)構(gòu)離散為60個(gè)梁單元，見圖1。

圖1 南引橋有限元模型

計(jì)算中混凝土自重取26kN／m3；二期恒載中水泥混凝土鋪裝、防撞欄桿及人行道板容重為26 kN／m3；汽車荷載取《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62－2004）（以下簡稱《04規(guī)范》）中公路－II級(jí)的車道荷載，按照車道最大左偏布置；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取γ0＝1．0；溫度梯度荷載取《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 023－85）（以下簡稱《85規(guī)范》）中頂板升溫5℃；支座沉降按照各支座不均勻沉降5mm取最大值計(jì)；驗(yàn)算荷載組合取《04規(guī)范》的基本組合，結(jié)合考慮《85規(guī)范》的溫度梯度。

2．3 抗傾覆驗(yàn)算計(jì)算結(jié)果

在承載能力極限狀態(tài)基本組合作用下，各支座最大、最小反力結(jié)果見表1。

表1 基本組合作用下支座反力結(jié)果表 kN

由表1可見，在公路－II級(jí)車道荷載的基本組合作用下，南引橋各支座最大支反力均未出現(xiàn)負(fù)支反力；最小支反力在6號(hào)墩和11號(hào)臺(tái)的右側(cè)支座（加載側(cè)為左側(cè)）出現(xiàn)負(fù)支反力，最小支反力為－674．6kN。但南引橋整體上抗傾覆能力是滿足要求的，原因如下：

（1）從整體上來看，南引橋的恒載重心在橋梁圓弧內(nèi)部，因此不會(huì)出現(xiàn)橋梁外傾傾覆的情況。

（2）從產(chǎn)生負(fù)支反力的支座來看，支座負(fù)反力出現(xiàn)在邊墩的內(nèi)側(cè)支座，其他支座均未出現(xiàn)負(fù)反力，對邊墩內(nèi)側(cè)支座能起到一定的限制作用，使其在設(shè)計(jì)荷載作用下不會(huì)傾覆。

（3）在6號(hào)墩、11號(hào)臺(tái)設(shè)置的支座為抗扭支座，抗扭支座能根據(jù)設(shè)計(jì)要求，提供一定的抗拉拔力，從而可以抵消支座處出現(xiàn)的負(fù)反力，保證橋梁不發(fā)生傾覆。

3 支座更換設(shè)計(jì)

3．1 支座現(xiàn)狀

該橋支座均采用盆式橡膠支座系列，由于施工原因，于8，9號(hào)墩處將縱向活動(dòng)支座安裝成了橫向活動(dòng)支座，導(dǎo)致橋梁的側(cè)向抗滑能力不足，使其余支座產(chǎn)生了橫橋向支座頂死的病害，甚至個(gè)別支座的盆內(nèi)橡膠被擠出。

3．2 支座反力計(jì)算

支座反力計(jì)算的計(jì)算參數(shù)取值與抗傾覆驗(yàn)算相同，驗(yàn)算荷載為標(biāo)準(zhǔn)值組合。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 基本組合作用下支座反力結(jié)果表 kN

3．3 支座的設(shè)置

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值組合作用下各支座反力的計(jì)算結(jié)果，對該橋支座的布置方式如下：在9號(hào)墩處設(shè)置固定支座，在其余墩臺(tái)處設(shè)置縱向活動(dòng)支座；其中，6號(hào)墩、11號(hào)臺(tái)支座均采用抗扭支座，支座的抗拉拔力不小于1 000kN。

4 頂升梁體設(shè)計(jì)

4．1 千斤頂?shù)脑O(shè)置

（1）6～10號(hào)墩千斤頂置于設(shè)置在墩柱兩側(cè)的鋼管支撐上。

（2）11號(hào)臺(tái)千斤頂置于橋臺(tái)帽梁上，兩支座的內(nèi)側(cè)。

4．2 鋼管支撐體系

6～10號(hào)墩的鋼管支撐體系采用直徑600 mm×14mm的焊接鋼管。其中，6號(hào)墩設(shè)置于雙柱墩墩柱的內(nèi)側(cè)，每墩上設(shè)置4根鋼管，鋼管間采用型鋼連接成整體；7～10號(hào)墩設(shè)置于獨(dú)柱墩的兩側(cè)，每墩各設(shè)置2跟鋼管。根據(jù)每個(gè)橋墩頂升力大小的不同，每個(gè)鋼管支撐上設(shè)置1個(gè)或2個(gè)千斤頂。千斤頂放置于在鋼管頂部的型鋼分配梁上，從而將千斤頂?shù)姆戳鶆騻鬟f至鋼管。

4．3 頂升過程中箱梁限位裝置

該橋南引橋?yàn)榫哂?．8%縱坡的彎橋，在箱梁頂升過程中，由于失去支座對其的橫向約束，易產(chǎn)生延橋梁縱向切線方向的滑動(dòng)，造成橋梁的滑移，這是頂升大縱坡彎橋的一個(gè)難點(diǎn)問題。

為了防止在頂升中橋梁可能產(chǎn)生的滑移，必須對橋梁采取限位措施。綜合考慮該橋的橋型特點(diǎn)，在頂升該橋箱梁的過程中，須在6、8、9號(hào)墩處設(shè)置縱向限位裝置，在11號(hào)臺(tái)處設(shè)置橫向限位裝置，以保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全。

4．3．1 6號(hào)墩處縱向限位裝置

6號(hào)墩處縱向限位裝置采用4根4m長40c工字鋼組成，工字鋼兩端分別錨固于6號(hào)墩相鄰兩跨箱梁的腹板上。工字鋼一端鉆圓形孔，另一端鉆圓端形孔；圓形孔的一端與其中一跨采用固定的方式與箱梁腹板連接，圓端形孔的一端在另一跨不與箱梁腹板固定，僅將螺帽套在絲桿上即可。這樣，當(dāng)箱梁頂升時(shí)，該裝置不會(huì)限制箱梁的豎向位移，而僅對縱向位移起到一定的限制作用。

4．3．2 8、9號(hào)墩處縱向限位裝置

在8、9號(hào)墩墩柱及箱梁底板設(shè)置縱向限位裝置，限制第3聯(lián)箱梁在頂升過程中可能發(fā)生的縱向滑移。縱向限位裝置見圖2。限位裝置采用40c工字鋼作為墩柱上的支撐梁，工字鋼組成幾何不變體系的三角形，固定于墩柱上，并在支撐梁的端部設(shè)置鋼板制成的牛腿；同時(shí)，在梁底對應(yīng)位置亦設(shè)置鋼板牛腿。這樣，箱梁在頂升后產(chǎn)生的下滑力將通過2個(gè)牛腿傳遞至墩柱上，而本橋墩柱的長細(xì)比較小，相對剛度較大，可以抵抗箱梁的下滑力，從而限制了箱梁在頂升后產(chǎn)生縱向位移。該縱向限位裝置可以在不影響箱梁豎向移動(dòng)的情況下限制箱梁的縱向位移。

圖2 8、9號(hào)墩縱向限位裝置構(gòu)造圖

4．3．3 11號(hào)臺(tái)頂升過程中的縱、橫向限位措施

在11號(hào)臺(tái)背墻與箱梁之間的縫隙里加墊約6cm厚鋼板，并在橋臺(tái)與箱梁之間設(shè)置工字鋼橫向限位裝置，以限制第3聯(lián)箱梁在頂升過程中可能產(chǎn)生的縱、橫向滑移。該限位裝置下部橫梁錨固于橋臺(tái)臺(tái)身上，橫梁在橋梁外側(cè)端部設(shè)置一根斜撐，斜撐的一端固定于橫梁上，另一端抵住箱梁腹板。斜撐和橫梁間設(shè)置拉桿，使該限位裝置形成穩(wěn)定的三角形。該裝置可以在不影響箱梁豎向位移的條件下限制箱梁的縱、橫向位移。

5 結(jié)語

（1）抗傾覆穩(wěn)定性是獨(dú)柱墩橋梁，尤其是獨(dú)柱墩彎橋的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，對其進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算是必須進(jìn)行的內(nèi)容。而在抗傾覆驗(yàn)算中，支座的模擬尤為重要。只有較準(zhǔn)確地模擬了獨(dú)柱墩橋梁的支座，才能得出正確的橋梁支座反力，同時(shí)結(jié)合橋梁設(shè)置的抗扭支座的抗拉拔力大小，得出橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性。

（2）對于獨(dú)柱墩匝道彎橋，在頂升梁體的過程中，由于存在較大的縱坡，同時(shí)又失去了支座的限位作用，橋梁整體存在滑移的可能。而在其滑移趨勢方向上的墩臺(tái)處設(shè)置限位裝置，則可以很好地解決橋梁頂升后可能產(chǎn)生的梁體滑移危險(xiǎn)，從而最大限度地保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全。

［1］ 袁攝楨，戴公連，吳建武．單柱寬幅連續(xù)梁橋橫向傾覆穩(wěn)定性探討［J］．中外建筑，2008（7）：154－157．

［2］ 汪海濤．獨(dú)柱墩匝道橋抗傾覆研究［J］．建筑與工程，2011（9）：334－387．

［3］ 黃國勇，蘭長青．墩梁固結(jié)獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆分析及加固設(shè)計(jì)方法［J］．公路交通科技，2011，84（12）：87－89．