淺談桂江立交匝道獨柱墩加固設(shè)計

關(guān)孝森

摘 要：桂江立交為曲線梁橋獨柱墩結(jié)構(gòu)，橋梁在下部中墩設(shè)計時，在總體布局上為減少占用土地、改善下部結(jié)構(gòu)布局、增加視野和橋形美觀，其下部墩采用獨柱墩設(shè)計。根據(jù)檢測報告，桂江立交匝道出現(xiàn)主梁開裂、墩柱開裂、主梁向外偏轉(zhuǎn)而使支座脫空等病害，由于曲線梁橋受力狀態(tài)較為復(fù)雜，在對匝道曲線梁加固設(shè)計中，做好抗傾覆驗算至關(guān)重要。因此本文結(jié)合桂江立交曲線梁橋獨柱墩加固設(shè)計的成功經(jīng)驗進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：曲線梁橋;獨柱墩;抗傾覆驗算

1 概述

佛山市南海區(qū)桂江立交是南海區(qū)與周邊市區(qū)連接的重要的樞紐型互通式立交，是連接南海大道、桂和路和海八路的一座全互通立交橋;采用板苜蓿葉式和半定向式相結(jié)合的線性，空間形式為三層半式立交;于1997年建成通車。桂江立交共由三條主線橋及八條匝道橋組成，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力整體式箱梁。原設(shè)計匝道橋過渡墩采用了獨柱墩上設(shè)蓋梁，雙支座;中墩采用獨柱墩單支座形式，支座居中布置。

根據(jù)《橋梁檢測報告》以及現(xiàn)場調(diào)查顯示，桂江立交匝道一、二、三、四等4座彎橋出現(xiàn)曲線梁出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，箱梁腹板及底板開裂，獨柱墩墩頂支座內(nèi)側(cè)脫空，獨柱墩出現(xiàn)多處橫向裂縫等，橋梁存在傾覆的危險，急需進(jìn)行加固設(shè)計。

2 匝道橋獨柱曲線梁病害原因的分析

2.1 曲線梁橋獨柱墩結(jié)構(gòu)受力分析

曲線梁橋受力特點是獨柱支承曲線梁加偏心受力，由于主梁的平面彎曲使得下部結(jié)構(gòu)墩往的支承點不在同一條直線上，梁體在自重和預(yù)應(yīng)力荷載作用下容易出現(xiàn)扭矩和扭轉(zhuǎn)。經(jīng)驗算，本項目匝道橋均位于平曲線半徑R≤80m的曲線段落上，預(yù)應(yīng)力荷載作用最大扭矩值達(dá)縱向最大彎矩值的30%左右，巨大的扭矩力從而導(dǎo)致箱梁腹板豎向開裂，底板橫向開裂。

由于曲線梁下部結(jié)構(gòu)中墩采用獨柱墩結(jié)構(gòu)設(shè)計，獨柱墩支承曲線梁橋處采用單支座連接，支點抗扭能力較弱，梁體的整體穩(wěn)定性較差。當(dāng)主梁偏心受力傳遞到梁端部及支座時，會造成過渡墩頂部支座橫向受力不均，個別支座還會出現(xiàn)負(fù)反力想象，從而導(dǎo)致支座支座脫空，增加了曲線梁的扭矩和變形。

2.2 匝道橋獨柱曲線梁抗傾覆驗算

根據(jù)曲線梁橋受力特點，對桂江立交梁體進(jìn)行全面的整體受力計算分析，根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362-2018），在作用標(biāo)準(zhǔn)值組合下，連續(xù)梁橋中箱梁的作用效應(yīng)組合應(yīng)符合下列要求：

結(jié)構(gòu)計算采用空間桿系有限元程序Midas及平面桿系有限元程序QJX計算進(jìn)行建模計算。

抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)K=1.4小于kqf =2.5，不滿足規(guī)范要求，需要采取措施加大梁體的抗傾覆能力。

3 桂江立交獨柱墩曲線梁加固設(shè)計方案

3.1 獨柱墩曲線梁加固思路

針對本項目為小半徑平曲線段落的現(xiàn)澆箱梁較多的特點，曲線梁橋需要采用合理的支承方式，減少曲線梁的扭矩和偏心對其曲線梁體、獨柱橋墩結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響，使彎橋結(jié)構(gòu)受力采用的支承方式更加合理：

（1）現(xiàn)澆箱梁端橫隔梁下橫橋向設(shè)置雙支座，當(dāng)橋梁位于平曲線小半徑的曲線段落時，將端橫隔梁寬度加大，并加大雙支座橫橋向?qū)挾?中橫隔梁在條件具備時，采用雙柱雙支座，對于橋下受限而采用獨柱時，將獨柱支承中心向曲線外側(cè)偏移。上述措施，可有效地提高主梁的橫向抗扭性能，均可使支座受力更加合理，避免支座脫空，保證梁體的橫向穩(wěn)定性。

（2）采用獨柱墩的三跨現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋，為加強(qiáng)橋梁上下部的整體性能，抵抗溫度位移及橫橋向離心力，均固結(jié)一個墩柱，采用獨柱墩頂與梁固結(jié)的方式。墩柱可承擔(dān)一部分主梁扭矩，對主梁的扭轉(zhuǎn)變形有一定約束，并增強(qiáng)梁體的橫向穩(wěn)定性。

（3）連續(xù)箱梁橋進(jìn)行縱向預(yù)應(yīng)力張拉工藝時，箱梁結(jié)構(gòu)采用搭架逐跨施工，整體一次現(xiàn)澆，逐跨張拉預(yù)應(yīng)力鋼束，分次落架的施工順序，縱向預(yù)應(yīng)力鋼束布置在腹板中，采用相對應(yīng)錨具或聯(lián)接器張拉錨固。經(jīng)對梁體進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗算，該工藝可有效地減少梁體的預(yù)應(yīng)力損失和曲線梁的扭矩。

3.2 獨柱墩曲線梁加固方案

經(jīng)對原桂江立交匝道橋曲線梁進(jìn)行驗算，并進(jìn)行全面的整體的空間受力計算分析，橋梁的抗傾覆承載力不能滿足設(shè)計要求。加固設(shè)計的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須對其在承受縱向彎曲、扭轉(zhuǎn)和翹曲作用下，結(jié)合自重、預(yù)應(yīng)力和汽車活載等荷載進(jìn)行詳細(xì)的受力分析，充分考慮其結(jié)構(gòu)的空間受力特點才能得到安全可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于桂江立交梁體出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，內(nèi)側(cè)支座脫空，蓋梁開裂等，本次加固方案在多種維修加固設(shè)計措施中，選用了粘貼鋼板加固法與增大梁截面加固法相結(jié)合，地采用了擴(kuò)大截面并外套鋼管箍的方式進(jìn)行加固，本次加固方案為對該4個匝道的獨柱墩進(jìn)行擴(kuò)大截面設(shè)計，先在獨柱墩外套一個2.2m的鋼管箍，鋼管箍與橋墩外緣留有50cm的空隙，鋼管箍與橋墩間的空隙內(nèi)填C40微膨脹混凝土，墩頂通過加勁鋼板使獨柱墩與曲線梁進(jìn)行固結(jié)處理，并調(diào)整外套鋼管箍位置，使支撐中心往外側(cè)偏心來改善曲線梁橋受力的平衡設(shè)計。曲線梁獨柱墩加固設(shè)計如下圖：

匝道橋曲線梁獨柱墩加固后，再次對匝道曲線梁進(jìn)行抗傾覆驗算，加固后橫向抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)K=3.6，大于kqf =2.5，滿足規(guī)范要求。

經(jīng)過橋梁檢測，鋼管箍和內(nèi)填混凝土能充分粘結(jié)，沒有出現(xiàn)脫空，鋼管箍和混凝土共同聯(lián)合受力，墩頂與梁固結(jié)處加勁鋼板的粘鋼效果良好。加固后桂江立交匝道橋經(jīng)過多年的使用，橋梁使用狀況良好，曲線梁箱梁腹板及底板的裂縫沒有繼續(xù)發(fā)展，墩頂支座更換后沒有出現(xiàn)再次脫空，墩頂加勁鋼板與梁體的固結(jié)效果良好，獨柱墩的抗傾覆能力和梁體的橫向穩(wěn)定性得到有效的提升，橋梁承載力滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

（1）橋梁通車兩年后，對匝道橋進(jìn)行了全面的特殊檢查項目。橋梁靜態(tài)測試，在等效設(shè)計荷載作用下，實測應(yīng)變及撓度均小于理論計算值，縱向傳力能力良好，橫向傳力能力基本正常，卸載后應(yīng)變及變形基本恢復(fù)，試驗跨最大正彎矩及負(fù)彎矩承載能力均基本滿足原設(shè)計要求。橋梁動態(tài)測試，由模態(tài)試驗前1階實測主頻和理論計算值對比可以看出，實測自振頻率值均大于理論計算值，說明加固后的橋梁整體剛度大于理論剛度，橋梁承載力滿足設(shè)計要求。

（2）舊橋加固的措施很多，有體外預(yù)應(yīng)力加固、粘貼鋼板加固法、增大梁截面加固法、碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)等，本次加固方案采用粘貼鋼板加固法與增大梁截面加固法相結(jié)合，創(chuàng)新地采用了擴(kuò)大截面并外套鋼管箍進(jìn)行加固墩柱墩的方式，該設(shè)計堅固耐用，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度都有明顯的提高，該設(shè)計對日后的曲線梁橋獨柱墩加固設(shè)計的提供了成功經(jīng)驗。

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