公路橋梁抗傾覆驗算及加固改造設(shè)計研究

羅帥

（商洛市交通設(shè)計院，陜西 商洛 726000）

0 引言

公路橋梁因受到偏心荷載的影響，若橋梁結(jié)構(gòu)自身抗扭剛度不強，則發(fā)生剪扭破壞的可能性較大。在橫載和偏心荷載等的影響下，部分梁體支點會表現(xiàn)出脫空現(xiàn)象，甚至引發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)坍塌。獨柱墩橋梁自身就是偏心受壓構(gòu)件，在墩身過細及墩高過高情況下，立柱偏心受壓必定會引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞[1]。

1 工程概況

某公路獨柱墩橋梁單孔跨徑25m，全長95m，就平面結(jié)構(gòu)而言，該橋梁橫跨JD88緩和曲線和圓曲線，橋梁上部結(jié)構(gòu)為3m×25m現(xiàn)澆鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，橋臺為U型設(shè)計，下部結(jié)構(gòu)為獨柱墩及擴大基礎(chǔ)，見圖1。橋梁橫跨某公路，考慮到該公路段車流量大，且大都為重型車，結(jié)合獨柱墩橋梁處置專家的意見，必須對橋梁展開抗傾覆驗算和加固處理，使橋梁荷載等級從公路Ⅱ級提升至公路Ⅰ級。

2 抗傾覆分析

2.1 有限元模型構(gòu)建

該獨柱墩橋梁結(jié)構(gòu)屬于非預(yù)應(yīng)力箱梁結(jié)構(gòu)，必須分析其實際在運行過程中的受力特征。應(yīng)用MIDAS/Civil橋梁結(jié)構(gòu)空間有限元分析軟件進行橋梁抗傾覆驗算[2]，有限元模型見圖2。為獲得最不利于支座的活荷載加載位置，還結(jié)合使用了移動荷載追蹤器。在求解支座1反力時，應(yīng)在支座3凹側(cè)邊加載，并按照橋跨設(shè)計使加載位置荷載均布；在求解支座6反力時，也應(yīng)同樣在橋跨處布置均布荷載，并使荷載在支座5對應(yīng)的外邊緣集中；在求解支座8反力時，均布荷載，并在支座5外邊緣布置集中荷載，見圖3。

2.2 支座最不利反力

進行獨柱墩橋梁抗傾覆驗算時，必須考慮到橋梁結(jié)構(gòu)的對稱性及荷載工況，且只進行支座1和支座3最不利工況分析。這兩個支座最不利工況下凸側(cè)加載反力結(jié)果為：支座1最不利工況下，支座1～8加載反力分別為585.3MPa、856.7MPa、1568.6MPa、6839.5MPa、7389.4MPa、534.5MPa、615.6MPa、2333.1MPa；支座3最不利工況下，支座1～8加載反力分別為2313.5MPa、866.8MPa、-270.4MPa、6852.1MPa、7438.7MPa、2645.1MPa、617.6MPa、163.4MPa。從比較結(jié)果可知，支座1最不利工況下，全部支座加載反力均為正值，不存在支座脫空的可能。支座3最不利工況下，僅支座3加載反力為負值，其余支座均為正值，說明僅支座3存在脫空。考慮到獨柱墩橋梁屬于對稱結(jié)構(gòu)，故支座1和支座6、支座3和支座8情況相同。此外在平面曲率的影響下，曲線梁梁體凸側(cè)邊弧長比凹側(cè)邊弧長，所以梁體界面形心軸并不與其重心重合，重心主要位于其形心軸外側(cè)。

支座3在重心軸和行車荷載的共同作用下出現(xiàn)扭矩作用而脫空，導致支座4和支座5左右側(cè)分別發(fā)生9.85MPa和10.35MPa的剪應(yīng)力，產(chǎn)生橫向扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，引發(fā)脫空，外側(cè)支座同時表現(xiàn)出較大剪切變形，獨柱墩橋梁整體結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)側(cè)向偏轉(zhuǎn)的可能。

2.3 抗傾覆驗算

該獨柱墩橋梁抗傾覆分析主要根據(jù)抗傾覆理論，在進行曲線梁抗傾覆安全系數(shù)計算時，必須全面分析設(shè)計行車荷載、結(jié)構(gòu)延性破壞及傾覆延遲、實際行車荷載等因素，將獨柱墩橋梁結(jié)構(gòu)抗傾覆系數(shù)保持在2.45以內(nèi)。箱梁橋傾覆中橋臺側(cè)支座很容易發(fā)生脫空現(xiàn)象，傾覆發(fā)生后整個橋體受力結(jié)構(gòu)迅速改變，此時若能保證標準值組合，則不會發(fā)生支座脫空。

獨柱墩曲線梁傾覆事故的出現(xiàn)，表明橋梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性不良，對橋梁模態(tài)分析，該橋梁第1～4結(jié)構(gòu)振型所對應(yīng)的自振頻率分別為4.167Hz、5.124Hz、6.396Hz、8.098Hz。其中，第1振型為基本振型，主要表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)變形，其余振型表現(xiàn)為局部扭轉(zhuǎn)變形，橋梁扭轉(zhuǎn)剛度較小，獨柱墩曲線梁抗傾覆能力較弱。因此，橋梁在運營過程中發(fā)生翻轉(zhuǎn)的可能性較大，必須進行相應(yīng)的加固設(shè)計。

3 加固設(shè)計

將鋼結(jié)構(gòu)支撐增設(shè)在獨柱墩曲線梁橋原獨柱墩上，并分別在1#橋墩和2#橋墩兩側(cè)加設(shè)兩個支座，承擔汽車偏載不良影響的同時抵抗橫向傾覆扭矩，如此一來，原由上部結(jié)構(gòu)箱梁所承擔的扭矩，直接改由下部結(jié)構(gòu)橋墩和箱梁共同承擔，行車偏載引起的橋梁扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯減弱[3]，橋梁結(jié)構(gòu)抗扭承載力顯著提升。加固方案實施后的支座平面布置情況詳見圖4。

此外，加固橋墩結(jié)構(gòu)上部鋼結(jié)構(gòu)支撐頂面與橋墩上表面相距20.5cm處，以便為施工提供便利條件。具體而言，通過抱箍加固形式連接墩柱和鋼結(jié)構(gòu)支架，并將鋼結(jié)構(gòu)支架外緣和墩柱外緣距離控制在1.50m；通過高強螺栓+焊接的方式連接鋼結(jié)構(gòu)支架。橋跨加固方案見圖5。

3.1 橋梁加固計算

為提升獨柱墩橋梁結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力，通過施加公路Ⅰ級荷載，計算新增支座反力。因行車偏載行駛會加劇獨柱墩橋梁傾覆和扭轉(zhuǎn)程度，故而對于已經(jīng)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形的橋梁必須新增受力支座。應(yīng)用MIDAS/Civil橋梁結(jié)構(gòu)空間有限元分析軟件進行新增支座反力計算，在計算最不利支座9反力時，應(yīng)在支座1凸側(cè)進行橋跨滿布均布荷載加載，同時在支座4外邊緣加載集中荷載；在計算最不利支座11反力時，應(yīng)在支座5外緣加載集中荷載，并向橋跨加載滿布均布荷載；在計算最不利支座10和12反力時，均按照橋跨滿布均布荷載，分別向支座4和5外緣施加集中荷載?？紤]到獨柱墩曲線梁結(jié)構(gòu)的對稱性，僅分析最不利支座11和支座12反力情況，結(jié)果見表1。

表1 最不利支座11和支座12反力情況（單位：MPa）

獨柱墩曲線梁采用鋼結(jié)構(gòu)加固形式，下部增設(shè)抱箍形圓柱支撐結(jié)構(gòu)，為應(yīng)對較大荷載，還在兩側(cè)增設(shè)鋼管支撐。通過計算鋼管受力，選擇并驗算截面，保證結(jié)構(gòu)受力的合理性。

3.2 加固后抗傾覆能力分析

應(yīng)用MIDAS/Civil橋梁結(jié)構(gòu)空間有限元分析軟件，進行該獨柱墩橋梁結(jié)構(gòu)在公路Ⅰ級荷載工況下加固后支座反力分析。根據(jù)有限元分析結(jié)果，橋梁加固后公路Ⅰ級驗算支座中并未表現(xiàn)出脫空問題。通過比較加固前后橋梁上部結(jié)構(gòu)頻率、振型發(fā)現(xiàn)，加固后頻率增大，橋梁剛度提升；加固前每種振型均存在或多或少的扭轉(zhuǎn)，且第一振型扭轉(zhuǎn)最為明顯，而加固后前四階振型中不存在扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，局部扭轉(zhuǎn)僅發(fā)生在第五階振型，整體加固圖見圖6。可見，該橋梁工程所采取的加固方案合理可行，獨柱墩曲線梁抗扭承載力得到相應(yīng)提升。

4 結(jié)語

獨柱墩橋梁占地少、空間大、橋形優(yōu)美，在橋梁工程中的應(yīng)用十分廣泛，但是在運行過程中容易因超負荷引發(fā)傾覆失穩(wěn)事故。在原獨柱墩結(jié)構(gòu)上增加鋼結(jié)構(gòu)支撐并加設(shè)支座的方式能有效解決橋梁結(jié)構(gòu)傾覆失穩(wěn)問題。該橋梁行車荷載達到公路Ⅰ級荷載工況組合時，所有支座均不存在傾覆脫空。該橋梁加固改造實踐可作為類似獨柱墩曲線梁結(jié)構(gòu)加固的借鑒參考。