橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)安全性分析

李 錚，林 波

（1.江西省撫州贛東公路設(shè)計(jì)院，江西 撫州 344000；2.江西省撫州市交通局質(zhì)監(jiān)站，江西 撫州 344000）

0 引言

某高速主線跨徑布置為（22＋19.3＋19.3＋22）m預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁橋，平面位于A—135的左偏緩和曲線及R＝150m的左偏圓曲線上，滿堂支架整體現(xiàn)澆施工。橋梁箱梁頂板橫向?qū)?0.5m，箱底寬3.5m，翼緣懸臂長(zhǎng)2.0m，箱梁梁高1.5m，頂?shù)装搴?5cm，腹板從跨中至橫梁部位從50cm過渡到70cm；箱梁中支點(diǎn)設(shè)2.0m寬的中橫隔梁，梁端設(shè)1.5m寬的端橫隔梁。

鑒于本橋運(yùn)營(yíng)階段可能出現(xiàn)的支座脫空情況，著重考慮通過支座的間距調(diào)整及偏心支座的設(shè)置解決支座脫空問題。2號(hào)橋墩布置于高速公路中央分隔帶區(qū)域，受空間限制采用了獨(dú)柱墩單支座的形式。上述計(jì)算結(jié)果也顯示該支座規(guī)格滿足要求，故加固試算過程按2號(hào)橋墩支座布置不變進(jìn)行計(jì)算。1號(hào)、3號(hào)橋墩橫橋向?qū)挾葍H2.5m，沒有繼續(xù)加大雙支座間距的空間，但可考慮采用偏心單支座。0號(hào)、4號(hào)橋臺(tái)支座間距布置主要受箱梁橫梁的受力要求控制，其余影響因素較少。

1 結(jié)構(gòu)計(jì)算離散圖

本橋加固方案可利用橋臺(tái)支座間距的調(diào)整及1號(hào)、3號(hào)橋墩單支座偏心的設(shè)置改善結(jié)構(gòu)受力，避免支座脫空。經(jīng)過調(diào)試計(jì)算，0號(hào)、4號(hào)橋臺(tái)支座間距調(diào)整為4.2m，1號(hào)、3號(hào)墩支座向外圓弧側(cè)偏心0.45m，則橋臺(tái)內(nèi)外側(cè)支座均未出現(xiàn)負(fù)反力。為使支座橫橋向受力滿足要求，1號(hào)、3號(hào)墩橫向按約束、活動(dòng)分別計(jì)算，主梁離散為空間梁?jiǎn)卧?，采用MIDAS進(jìn)行計(jì)算分析。

鋼絞線：Φs15.2低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk＝1860MPa，彈性模量Ep＝1.95×105MPa，錨下控制張拉應(yīng)力σcon＝0.75×fpk＝1395MPa，錨具變形與鋼束回縮值（一端）ΔL＝6mm，管道摩阻系數(shù)μ＝0.25，管道偏差系數(shù)κ＝0.0015。一期恒載：按實(shí)際斷面尺寸計(jì)重量，箱梁混凝土容重按26kN／m3取值，橫隔梁按集中力施加在結(jié)構(gòu)上，考慮內(nèi)外弧不等長(zhǎng)引起的自重均布扭矩為7.46kN·m／m。二期恒載：瀝青砼22.8kN／m，鋼護(hù)欄按單側(cè)7kN／m，二期恒載合計(jì)36.8kN／m，考慮內(nèi)外弧不等長(zhǎng)引起的二期恒載均布扭矩3.19kN·m／m。計(jì)算支承反力考慮公路—Ⅰ級(jí)、1.3倍公路—Ⅰ級(jí)、55t重車三種工況，結(jié)構(gòu)承載力、抗裂驗(yàn)算等按公路—Ⅰ級(jí)計(jì)算。體系升、降溫作用按照＋25℃，－25℃考慮取值；梯度溫差按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2004）4.3.10條規(guī)定的梯度溫度計(jì)算，日照正溫差T1采用14℃，T2采用5.5℃，日照反溫差T1采用-7℃，T2采用-2.75℃。

考慮到國(guó)內(nèi)匝道上彎橋，頻頻出現(xiàn)的超載、傾覆事故，本橋汽車荷載取值考慮如下三種狀況：

a）按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)車道荷載驗(yàn)算結(jié)構(gòu)極限承載力和正常使用極限狀態(tài)；

b）按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)1.3倍車道荷載驗(yàn)算支點(diǎn)反力；

c）按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)1.2倍55t車輛、前后車輛輪距10m荷載驗(yàn)算支點(diǎn)反力。

主梁結(jié)構(gòu)離散如圖1所示。

圖1 主梁結(jié)構(gòu)離散圖

結(jié)構(gòu)離散為58個(gè)單元，68個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中第52～58、65、67節(jié)點(diǎn)為支承節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)約束情況按設(shè)計(jì)圖紙的支座布置一致，中墩為獨(dú)柱固定約束、邊墩及橋臺(tái)為橫向間距1.5m的雙支承，縱向均為活動(dòng)，內(nèi)弧橫向?yàn)榧s束，外弧橫向釋放，所有支承未設(shè)橫向偏心。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 支承反力分析

通過對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)階段最大／最小支座反力計(jì)算分析可知，圓弧內(nèi)側(cè)支座在三種工況下均可能出現(xiàn)負(fù)反力，即在運(yùn)營(yíng)階段活載作用下可能出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象。同時(shí)，1號(hào)、3號(hào)墩支座設(shè)計(jì)規(guī)格為GPZ（Ⅱ）4.0DX／SX，不滿足受力要求，支座橫向水平力過大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過10%支座豎向承載力。因此，有必要對(duì)本橋支座設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，具體方案詳見加固計(jì)算報(bào)告。

2.2 上構(gòu)箱梁持久狀況承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

如圖2～圖5所示，箱梁在使用階段正截面抗彎承載力的計(jì)算結(jié)果顯示，所有截面正截面抗彎承載力滿足規(guī)范要求。箱梁在使用階段斜截面抗剪承載力的計(jì)算結(jié)果顯示，上構(gòu)箱梁在使用階段斜截面抗剪承載力滿足規(guī)范要求。箱梁在使用階段抗扭承載力的計(jì)算結(jié)果顯示，上構(gòu)箱梁在使用階段抗扭承載力滿足規(guī)范要求。

2.3 上構(gòu)箱梁正常使用極限狀態(tài)計(jì)算

箱梁在正常使用極限狀態(tài)下正截面壓應(yīng)力計(jì)算，規(guī)范限值：σkc+σpt≤0.5fck=16.2MPa。經(jīng)計(jì)算，使用階段箱梁正截面最大壓應(yīng)力為10.6MPa（28號(hào)節(jié)點(diǎn)），規(guī)范限值不超過0.5fck＝16.2MPa，滿足規(guī)范要求。箱梁在正常使用極限狀態(tài)下混凝土主壓應(yīng)力計(jì)算，規(guī)范限值：σcp≤0.6fck=19.44MPa，使用階段箱梁斜截面最大主壓應(yīng)力為10.6MPa（28號(hào)節(jié)點(diǎn)），規(guī)范限值不超過0.6fck＝19.44MPa，滿足規(guī)范要求。

對(duì)箱梁正截面抗裂計(jì)算，A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件計(jì)算，結(jié)構(gòu)短期效應(yīng)組合下應(yīng)力應(yīng)滿足：

使用階段主梁各單元在短期效應(yīng)組合下最大拉應(yīng)力為1.2MPa（梁端1號(hào)、50號(hào)節(jié)點(diǎn)），在長(zhǎng)期效應(yīng)組合下沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件要求。

2.4 箱梁斜截面抗裂計(jì)算

按A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件計(jì)算，規(guī)范限值：σtp≤0.5ftk＝1.325MPa。 短期效應(yīng)組合下，最大主拉應(yīng)力為1.2MPa（梁端1號(hào)、50號(hào)節(jié)點(diǎn)），滿足規(guī)范斜截面抗裂要求。短期狀況應(yīng)力計(jì)算主要對(duì)構(gòu)件在預(yù)應(yīng)力和自重等施工荷載作用下截面邊緣混凝土的法向應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

其中，計(jì)算抗壓容許應(yīng)力時(shí)取用的施工階段混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取′=0.8fck。

2.5 設(shè)計(jì)抗傾覆系數(shù)驗(yàn)算

根據(jù)本橋支座布置情況，考慮到旋轉(zhuǎn)線外弧側(cè)橋面面積越大越易傾覆，得出最不利發(fā)生傾覆線（如圖6所示）應(yīng)為1號(hào)墩外側(cè)支座中心與2號(hào)墩支座中心的連線或3號(hào)墩外側(cè)支座中心與2號(hào)墩支座中心的連線，由于本橋左右對(duì)稱，故僅需驗(yàn)算其中一種。

圖6 最可能傾覆線示意圖

箱梁繞假定的最易傾覆的兩個(gè)支點(diǎn)連線旋轉(zhuǎn)軸，即將傾覆階段，僅1號(hào)墩外側(cè)支座及2號(hào)墩支座受力，計(jì)算模型在僅保留旋轉(zhuǎn)軸上這兩個(gè)支座，同時(shí)考慮到傾覆實(shí)際上就是向圓弧內(nèi)外兩側(cè)的扭矩有差異而產(chǎn)生的，可在兩支座連線中間施加一個(gè)抗扭約束，支座連線作為三個(gè)支座局部坐標(biāo)軸中的X軸。通過查看該約束在恒載、活載等作用下的扭矩即可計(jì)算出結(jié)構(gòu)傾覆和抗傾覆力矩，進(jìn)而得到抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。抗傾覆系數(shù)由向圓弧內(nèi)側(cè)的扭矩值／向圓弧外側(cè)的扭矩值計(jì)算得出，計(jì)算表明結(jié)構(gòu)整體抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)滿足要求。

3 結(jié)語

經(jīng)過對(duì)本橋梁的計(jì)算分析，結(jié)果表明圓弧內(nèi)側(cè)支座在三種荷載汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)下均出現(xiàn)脫空。支座橫向反力超過豎向承載力的10%，1號(hào)、3號(hào)墩外弧支座反力超過承載力。主梁正截面抗彎、斜截面抗剪、截面抗扭承載力滿足規(guī)范要求。主梁正截面抗裂、斜截面抗裂滿足規(guī)范關(guān)于A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的要求。主梁正截面壓應(yīng)力、斜截面主壓應(yīng)力、鋼束拉應(yīng)力，均滿足規(guī)范要求。施工階段主梁截面法向壓應(yīng)力、拉應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，表明對(duì)本橋梁采取的加固措施合理，可滿足橋梁使用安全要求。

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