江西省高速公路獨(dú)柱墩橋梁橫向抗傾覆安全性評(píng)估

胡俊、涂帆

（1.江西省交通投資集團(tuán)路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理公司養(yǎng)護(hù)技術(shù)中心，江西南昌330038；2.江西省交通投資集團(tuán)路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理公司，江西南昌330038）

0 引言

獨(dú)柱墩橋梁有著占地面積小、橋下視野開闊和經(jīng)濟(jì)性能好等優(yōu)點(diǎn)[1]，在高速公路上跨橋和匝道橋上得到了廣泛的應(yīng)用。但受制于獨(dú)柱墩墩頂橫向空間限制，主梁側(cè)向支撐系統(tǒng)僅有一個(gè)支點(diǎn)，結(jié)構(gòu)抗傾覆能力較弱[2]。近年來，高速公路交通流量快速增長(zhǎng)和重型車輛不斷增加，獨(dú)柱墩橋梁?jiǎn)栴}逐漸暴露：在偏心荷載作用下，結(jié)構(gòu)易不穩(wěn)定，傾覆穩(wěn)定性的安全儲(chǔ)備不足，對(duì)于獨(dú)柱墩曲線橋，存在復(fù)雜的彎扭耦合作用，造成橋梁內(nèi)外側(cè)支座反力重分布，內(nèi)側(cè)支座易出現(xiàn)脫空[3]。

在對(duì)江西省高速公路獨(dú)柱墩橋梁進(jìn)行調(diào)查后，發(fā)現(xiàn)存有364 座獨(dú)柱墩橋梁，主要分為主線上跨橋、支線上跨橋、匝道橋三類，其中匝道橋最多，支線上跨橋其次，主線上跨橋最少。

濟(jì)廣高速鷹瑞北段（K1142+619～K1354+333）全長(zhǎng)311.7km，全路段共有獨(dú)柱墩橋梁13 座（其中一座無圖紙），考慮到鷹瑞北段交通流量大，一旦發(fā)生傾覆事故將造成危害嚴(yán)重，且本路段獨(dú)柱墩橋梁類型全面，覆蓋主線上跨橋、支線上跨橋和匝道橋，在結(jié)構(gòu)也與江西省內(nèi)高速公路獨(dú)柱墩橋梁結(jié)構(gòu)類型相似，因此本文選取濟(jì)廣高速鷹瑞北段獨(dú)柱墩橋梁進(jìn)行安全性能評(píng)估，為該路段獨(dú)柱墩橋梁后期加固提供幫助，也為江西省高速公路獨(dú)柱墩橋梁結(jié)構(gòu)驗(yàn)算和安全性能評(píng)估提供參考。濟(jì)廣高速鷹瑞北段12 座獨(dú)柱墩橋梁信息詳見表1，并根據(jù)橋梁跨徑將其分為8 種類型，支線上跨重田大橋因缺失圖紙不在本次評(píng)估范圍內(nèi)。

表1 濟(jì)廣高速鷹瑞北段獨(dú)柱墩橋梁統(tǒng)計(jì)

1 專項(xiàng)檢查

專項(xiàng)檢查對(duì)象為與橋梁結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定相關(guān)的病害，包含主梁、橋墩、支座和防落梁設(shè)施等。依據(jù)《公路危舊橋梁排查和改造技術(shù)要求》中對(duì)嚴(yán)重病害的描述，在對(duì)12 座橋梁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查后，K1299+219上跨胡竹天橋2#橋墩存在明顯傾斜，其余橋梁均未發(fā)現(xiàn)主梁、橋墩、支座和防落梁設(shè)施等部件存在與橋梁結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定相關(guān)的嚴(yán)重病害。

2 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

根據(jù)對(duì)以往獨(dú)柱墩橋梁事故分析，常規(guī)檢查檢測(cè)并不能排除獨(dú)柱墩安全隱患，需進(jìn)行進(jìn)一步結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，從而判斷橋梁是否存在傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于支座支撐橋梁，按照《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 3362—2018）4.1.8 條第1、第2 款規(guī)定開展支座脫壓驗(yàn)算、橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)驗(yàn)算。支座脫壓驗(yàn)算不滿足要求的，還應(yīng)對(duì)支承反力分布后的蓋梁、墩柱等構(gòu)件進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算，基礎(chǔ)（地基）和支座等進(jìn)行承載力驗(yàn)算。

其一，在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)。

其二，按作用標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行組合時(shí)，整體式截面連續(xù)箱梁橋的作用效應(yīng)符合下式要求：

式（1）中：kqf——橫橋向抗傾覆性穩(wěn)定系數(shù)，取2.5；

∑Sbk,i——使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；

∑Ssk,i——使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的效應(yīng)設(shè)計(jì)值。

對(duì)于墩梁固結(jié)橋梁：除進(jìn)行支座脫壓驗(yàn)算外，還應(yīng)進(jìn)行固結(jié)墩的墩頂、墩底、墩身截面尺寸與配筋變化處等控制截面的承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算，基礎(chǔ)（地基）和支座等的承載力驗(yàn)算。

通過Midas/civil 建立8 種橋型的空間桿系有限元模型，通過約束節(jié)點(diǎn)模擬支座布置，其中橋型3 模型如圖2所示。

圖2 橋型3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算模型

1 至7 進(jìn)行脫壓驗(yàn)算和橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)驗(yàn)算結(jié)果如表3所示，可以看出，存在墩梁固結(jié)結(jié)構(gòu)的匝道橋支座脫壓和橫向穩(wěn)定性均好于上跨橋，墩梁固結(jié)能夠增強(qiáng)全橋抗扭能力和整體性[4]。8 種橋型中只有3 種橋型同時(shí)滿足脫壓驗(yàn)算和橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)驗(yàn)算，但橋型2 和橋型4 存在連續(xù)3 座橋墩均為獨(dú)柱墩，穩(wěn)定系數(shù)小于橋型6，橋型6 的穩(wěn)定性系最高。

表3 脫壓驗(yàn)算和穩(wěn)定性驗(yàn)算

對(duì)橋型2 至6 的固結(jié)墩控制截面進(jìn)行承載能力驗(yàn)算，結(jié)果如表4所示，最大彎矩均小于彎矩承載力，最大軸力均小于軸向承載力，橋墩抗壓能力和抗彎能力均滿足要求。

表4 固結(jié)墩控制截面承載能力驗(yàn)算

3 安全評(píng)估

根據(jù)《公路危舊橋梁排查和改造技術(shù)要求》獨(dú)柱橫向抗傾覆安全性評(píng)估原則：一是直接評(píng)為較大安全風(fēng)險(xiǎn)；二是不存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)的情況下，對(duì)于專項(xiàng)調(diào)查無嚴(yán)重病害和滿足結(jié)構(gòu)驗(yàn)算下，為無安全風(fēng)險(xiǎn)；在滿足穩(wěn)定系數(shù)下，支座驗(yàn)算和無嚴(yán)重病害滿足一項(xiàng)，為一般安全風(fēng)險(xiǎn)；其余為較大安全風(fēng)險(xiǎn)。綜上所述，當(dāng)上跨天橋1183+390 等9 座獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)小于2.5 時(shí)，抗傾覆風(fēng)險(xiǎn)較大；高田互通D 匝道橋和E 匝道橋?qū)ｍ?xiàng)調(diào)查和結(jié)構(gòu)驗(yàn)算均滿足，但存在連續(xù)3 座橋墩為獨(dú)柱墩的情況，在超載嚴(yán)重情況下，仍存在一定的抗傾覆風(fēng)險(xiǎn)；只有高田互通B 匝道橋（第二聯(lián)）滿足所有條件，才可判斷為無傾覆風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

本文對(duì)江西省高速公路獨(dú)柱墩橋梁進(jìn)行了調(diào)查，并選取濟(jì)廣高速鷹瑞北段獨(dú)柱墩橋梁開展橫向傾覆安全性能評(píng)估，得到以下結(jié)論：

其一，從專項(xiàng)調(diào)查和結(jié)構(gòu)驗(yàn)算來看，濟(jì)廣高速鷹瑞段12 座獨(dú)柱墩橋梁中，只有3 座獨(dú)柱墩橋梁滿足要求，考慮連續(xù)獨(dú)柱墩影響，只有1 座獨(dú)柱墩橋梁無風(fēng)險(xiǎn)。大部分橋梁橫向傾覆安全性較大，需采取對(duì)應(yīng)的改造措施提高抗傾覆能力；

其二，存在墩梁固結(jié)結(jié)構(gòu)的獨(dú)柱墩匝道橋抗傾覆能力好于上跨橋；獨(dú)柱墩聯(lián)中，連續(xù)的獨(dú)柱墩會(huì)降低整聯(lián)抗傾覆能力。

其三，江西省內(nèi)高速公路獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆安全性能評(píng)估中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注上跨橋和存在連續(xù)獨(dú)柱墩的橋梁。