連續(xù)箱梁橋抗傾覆的分析方法綜述及加固方法的探討

蔣 波

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

由于空間或美學(xué)要求的限制，獨(dú)柱墩目前廣泛用于具有連續(xù)箱梁橋的構(gòu)造中。由于缺乏規(guī)格或技術(shù)限制，當(dāng)前的支座設(shè)計(jì)和布置不是很合乎結(jié)構(gòu)的抗傾覆要求，因此，連續(xù)箱梁橋發(fā)生了過(guò)多的傾覆事故，尤其是具有獨(dú)柱墩的連續(xù)橋梁。

分析橋梁的傾覆過(guò)程大致如下[1]：(1)連續(xù)梁橋在偏載作用下，支座反力逐步減小，導(dǎo)致發(fā)生支座脫空。(2)連續(xù)梁橋梁體支座脫空后，主梁底面與支座發(fā)生脫離，并橫向轉(zhuǎn)角增大，端部支座的豎向力發(fā)生了重分布。(3)連續(xù)箱梁橋的梁體轉(zhuǎn)角超過(guò)了一定的限度，端部支座的豎向力發(fā)生的重分布引起橋墩和蓋梁產(chǎn)生一定的變形，加速箱梁轉(zhuǎn)動(dòng)。(4)梁體整體傾覆，其間可能發(fā)生不同傾覆破壞模式，如支座被擠出，或者中間橋墩在水平力下發(fā)生傾倒。

一、抗傾覆驗(yàn)算方法

(一)基于支座反力的抗傾覆驗(yàn)算

(1)

γ為支座的壓力比系數(shù)；Rb為成橋狀態(tài)下的支座反力；Rs為偏載作用下，支座的拉力；k-支座的壓力比系數(shù)(安全值建議用1.5)。

計(jì)算時(shí)，基于規(guī)范的公路荷載或者實(shí)際的荷載值，支座反力是使用梁格法或者實(shí)體模型等空間有限元計(jì)算的方法計(jì)算的結(jié)果。

(二)抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)驗(yàn)算

規(guī)范[2]中第4.1.10條規(guī)定了直彎箱形梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性的計(jì)算方法和安全儲(chǔ)備，應(yīng)檢查箱形截面的中小跨徑梁的抗傾覆穩(wěn)定性?？箖A覆穩(wěn)定性系數(shù)應(yīng)該合乎公式(2)的要求:

(2)

公式中，kqf-箱梁的抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù);

Sbk-促使主梁發(fā)生傾覆的汽車荷載(含車輛的沖擊效應(yīng))效應(yīng);

Ssk-促使主梁穩(wěn)定的作用組合。

針對(duì)正交橋梁和斜交橋梁(斜角30°以內(nèi)),計(jì)算它們的抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)的方法見(jiàn)(式3)

(3)

3式中，qk-車道荷載中的均布荷載;

Pk-車道荷載中的集中荷載;

l-主梁的全長(zhǎng);

e-車道的最不利位置至傾覆軸線的最短距離;

μ-車輛荷載沖擊系數(shù);

RGi-每個(gè)支座的反力(成橋狀態(tài));

xi-每個(gè)支座至傾覆軸線的距離。

(三)扭轉(zhuǎn)角驗(yàn)算[2]

在傾覆荷載的作用下，一旦支座出現(xiàn)脫空的情況，箱梁就會(huì)很容易發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，箱梁的整體扭轉(zhuǎn)角應(yīng)滿足下式：

θ≤θu

(4)

公式中：θ是通過(guò)實(shí)測(cè)或者實(shí)體模型計(jì)算得到的，在偏載作用下，主梁中部截面的扭轉(zhuǎn)角作為箱梁的整體扭轉(zhuǎn)角；θu為允許的箱梁最大扭轉(zhuǎn)角，建議極限傾覆狀態(tài)取0.045rad或者傾覆驗(yàn)算取0.02rad。

對(duì)于連續(xù)箱梁橋的抗傾覆計(jì)算不能只停駐在線性的理論分析(小位移理論)，抗傾覆的問(wèn)題分析還需要引進(jìn)非線性的理論分析(大位移理論)，通過(guò)有限元模型進(jìn)行分析，來(lái)模擬求解主梁的支座反力及結(jié)構(gòu)的整體轉(zhuǎn)角。

二、橋梁存在的傾覆問(wèn)題及加固方法

(一)存在的傾覆問(wèn)題

(1)多跨度的獨(dú)柱橋梁大多數(shù)是連續(xù)箱梁橋，然而箱梁的中心點(diǎn)與當(dāng)中的很多獨(dú)柱墩上的單支座重合，車輛超載一旦出現(xiàn)，支點(diǎn)然后就變成了轉(zhuǎn)動(dòng)軸線，這時(shí)箱梁會(huì)產(chǎn)生較大的橫向彎矩；然而獨(dú)柱墩在抗扭的性能上不是很強(qiáng)大，就會(huì)導(dǎo)致其所受到的橫向扭矩越來(lái)越強(qiáng)，一旦大于獨(dú)柱墩的墩柱本身的承載力的狀態(tài)下，主梁的翻轉(zhuǎn)傾覆就發(fā)生了。

(2)立交匝道的獨(dú)柱墩橋大多用的是彎橋梁，由于其特殊的內(nèi)部和外部力學(xué)特性，以及由于預(yù)應(yīng)力和溫度之間的關(guān)系，梁箱中的扭矩分配不均勻。另外，由于支座的內(nèi)外兩側(cè)都沒(méi)有受到均勻的力，在靜載荷的影響下，可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)作用，然后會(huì)產(chǎn)生偏心載荷，從而導(dǎo)致支座脫空的情況;

(二)抗傾覆措施[3][4]

通常，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)橋、支座和蓋梁等來(lái)進(jìn)行加固和改進(jìn)獨(dú)柱橋墩的性能。同時(shí)，根據(jù)橋架的地形和地形的實(shí)際情況確定加固方法；目前，主要方法是在獨(dú)柱墩的頂部增加附加的保護(hù)梁，以便將橫梁的端部添加到獨(dú)柱支撐上以增加抗拔的設(shè)施：1.獨(dú)柱墩的墩頂部加設(shè)蓋梁。作用是：箱梁橋的獨(dú)柱墩大多是樁柱式的橋墩，墩的剛度比較大，按照墩本身的剛度大多都可以滿足了承載力的需求，用在獨(dú)柱墩的頂面安設(shè)蓋梁的方法，使獨(dú)柱墩與蓋梁發(fā)生結(jié)合，讓它們形成一個(gè)整體，加強(qiáng)了箱梁的抗傾覆性能。不足是：在施工的過(guò)程中，一定要控制好實(shí)際預(yù)應(yīng)力與施工的預(yù)應(yīng)力兩者擁有的疏異性，來(lái)保證原來(lái)的結(jié)構(gòu)鋼筋不會(huì)受到損壞；并且對(duì)鋼筋的施工要求比較嚴(yán)格，前后的支座受力需要具有相同的特性，來(lái)保證新舊的蓋梁實(shí)現(xiàn)完美的融合。2.在獨(dú)柱墩的單柱處增加樁柱。作用是：通過(guò)減小舊橋墩的墩柱受的偏心壓力作用，大多靠的是加多橋墩的數(shù)量，將獨(dú)樁墩整改成為雙柱墩，就可以加強(qiáng)了箱梁橫向抗傾覆的能力。不足是：施工的場(chǎng)地條件要求比較高，需要確保樁基的間距滿足要求的狀態(tài)下，在橫向的內(nèi)外側(cè)加設(shè)墩柱，而且確保施工的質(zhì)量的需求下，要封閉施工的范圍。3.端部的橫梁加設(shè)抗拔類型的構(gòu)造。作用是：以對(duì)獨(dú)柱墩的兩側(cè)加設(shè)雙支座端橫梁的方式，同時(shí)往往還在傾覆的外側(cè)加設(shè)了一種連接的構(gòu)件，將端部的橫梁與橋臺(tái)的臺(tái)帽施加抗拉拔的效應(yīng)，而且靠梁箱自身的剛度，來(lái)增強(qiáng)梁端的梁體抗扭轉(zhuǎn)性能，確保主梁有更強(qiáng)大的安全性能。不足是：抗拔構(gòu)造的施工要求比較高，需要繞過(guò)原橋的結(jié)構(gòu)鋼筋，并且合理地處理好布設(shè)的孔位，來(lái)減小對(duì)原本橋的受力鋼筋的損壞。

結(jié)論

(1)結(jié)構(gòu)的傾覆破壞是在極端的荷載偏移作用下的梁體扭轉(zhuǎn)，會(huì)導(dǎo)致支承體系的改變甚至強(qiáng)度破壞進(jìn)而加速結(jié)構(gòu)的失效；(2)在傾覆的全過(guò)程中，非線性的效應(yīng)顯著不可忽視；(3)支座的脫空導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的傾覆開(kāi)始，但是在發(fā)生支座的脫空情況下，不一定會(huì)發(fā)生梁體的傾覆破壞；(4)對(duì)獨(dú)柱墩的橋梁抗傾覆措施方法的研究需要進(jìn)一步深入，實(shí)施更好的加固方案，進(jìn)而使獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性能夠更強(qiáng)大；以造成免獨(dú)柱墩橋的梁失穩(wěn)并導(dǎo)致傾覆破壞的事故再次發(fā)生，更好地讓國(guó)家和人民的生命安全得到保證。