橋梁抗傾覆驗(yàn)算及加固設(shè)計(jì)

蔣凌杰，王 正，潘 棟

(廣西交通工程檢測(cè)有限公司，廣西 南寧 530011)

0 引言

隨著《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)[1]的發(fā)布，橋梁抗傾覆驗(yàn)算熱度一直不減，2019年某高架橋的傾覆事故更是將抗傾覆驗(yàn)算的必要性推到了高點(diǎn)。本文通過工程實(shí)例，介紹橋梁的抗傾覆驗(yàn)算以及加固設(shè)計(jì)方法。

1 抗傾覆驗(yàn)算橋梁

通常上部結(jié)構(gòu)采用整體式斷面的中小跨徑簡(jiǎn)支梁橋或連續(xù)梁橋由于存在一定的傾覆風(fēng)險(xiǎn)而成為抗傾覆計(jì)算和加固的重點(diǎn)對(duì)象。存在傾覆風(fēng)險(xiǎn)的橋梁特點(diǎn)一般包括：(1)下部結(jié)構(gòu)部分采用單支座的獨(dú)柱墩橋梁；(2)下部結(jié)構(gòu)采用雙支座支承且支座中心間距較小，具有一定的橫橋向傾覆安全風(fēng)險(xiǎn)的橋梁，如橋面全寬與支座中心間距的比值>4或支座中心間距<2.5 m的橋梁[2-3]。

2 抗傾覆驗(yàn)算荷載及荷載組合

依據(jù)《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)，設(shè)計(jì)荷載及組合按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)[4]取值。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，持久狀況下，梁橋不應(yīng)發(fā)生結(jié)構(gòu)體系改變，并應(yīng)同時(shí)滿足下列規(guī)定：(1)基本組合下單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)；(2)標(biāo)準(zhǔn)值組合下橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)>2.5的要求。

規(guī)范條文中所提到的組合包含基本組合和標(biāo)準(zhǔn)組合，但并未對(duì)該組合做特殊說明，這意味著該組合應(yīng)該包含常規(guī)驗(yàn)算組合的所有作用，除恒載和移動(dòng)荷載外，還包含溫度作用、支座沉降、收縮徐變等荷載作用，同時(shí)還要考慮支座沉降與移動(dòng)荷載對(duì)應(yīng)的支座反力并發(fā)關(guān)系。因此穩(wěn)定作用包括恒載、鋼束二次、收縮徐變、支座沉降等；失穩(wěn)作用包括移動(dòng)荷載、整體溫度、溫度梯度等。

3 邊界條件

結(jié)構(gòu)驗(yàn)算應(yīng)采用空間有限元模型，結(jié)構(gòu)模型和邊界條件宜合理簡(jiǎn)化，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)核查的實(shí)際情況進(jìn)行修正。如采用Midas Civil軟件進(jìn)行建模計(jì)算時(shí)，盆式橡膠支座以及板式橡膠支座宜只考慮平動(dòng)約束，不考慮轉(zhuǎn)動(dòng)約束，簡(jiǎn)化計(jì)算可不計(jì)支座剛度。

4 建模計(jì)算的注意事項(xiàng)

由于考慮的荷載較多，一般采用大型有限元分析軟件，在進(jìn)行建?？箖A覆驗(yàn)算時(shí)需注意以下事項(xiàng)：

(1)應(yīng)對(duì)獨(dú)柱墩聯(lián)全部支座進(jìn)行脫壓驗(yàn)算；(2)汽車荷載作用按規(guī)范最不利橫向布載布置計(jì)算；(3)按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)布置單列車時(shí)，橫向車道布載系數(shù)取1.2；(4)橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算用的各支座反力值，應(yīng)考慮混凝土收縮徐變的影響，取最不利值；(5)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)恒載變化情況(橋面鋪裝變化、新增過橋管線等)。

5 抗傾覆加固設(shè)計(jì)方法

5.1 基本要求

(1)提升方案應(yīng)根據(jù)提升后獨(dú)柱墩橋梁的結(jié)構(gòu)體系和支承邊界條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算并滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求；(2)新舊結(jié)構(gòu)的約束及變形應(yīng)協(xié)調(diào)，新增結(jié)構(gòu)和連接部位的構(gòu)造要求和耐久性應(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，并考慮沉降、溫度、收縮等對(duì)原結(jié)構(gòu)的影響；(3)新增結(jié)構(gòu)不得侵占被交道路與橋梁建筑限界；(4)獨(dú)柱墩橋梁提升處治方案可采用增設(shè)支座支承、改支座支承為墩梁固結(jié)及增設(shè)抗拉拔裝置等措施。

5.2 常用加固措施

(1)增設(shè)支座：利用原結(jié)構(gòu)增設(shè)支座、增設(shè)蓋梁與支座、加寬墩柱與增設(shè)支座、增設(shè)墩柱與支座、加長(zhǎng)主梁橫隔梁與增設(shè)支座等。新增支座僅承擔(dān)活載時(shí)，可采用墊塞等施工方案，應(yīng)采取措施保證新增支座與梁體密貼。

(2)支座支承改為墩梁固結(jié)：橋下凈空受限時(shí)，可將支座支承獨(dú)柱墩改為墩梁固結(jié)。墩梁固結(jié)可采用鋼結(jié)構(gòu)套箍等方法。

(3)增設(shè)抗拉拔裝置：增設(shè)抗拉拔裝置可作為預(yù)防措施，不得單獨(dú)作為橫橋向傾覆安全風(fēng)險(xiǎn)程度為一般安全風(fēng)險(xiǎn)及較大安全風(fēng)險(xiǎn)獨(dú)柱墩橋梁的提升措施?？估窝b置可用植筋或植埋螺栓錨固的方式將上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。

6 工程實(shí)例

6.1 項(xiàng)目概況

沙河立交橋全長(zhǎng)514.392 m，共22跨。上部結(jié)構(gòu)為普通鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，分為5聯(lián)，跨徑組合自北向南依次為(4×20)m+(23.156+24.968)m+(2×25+28.544+2×25)m+(20+4×25+20)m+(20+25+27.638+25+20)m，其中第一、二聯(lián)上部結(jié)構(gòu)為單箱多室平面異形箱梁，第三至五聯(lián)上部結(jié)構(gòu)為單箱四室箱梁。箱梁于橋墩蓋梁上方設(shè)板式橡膠支座，于橋墩立柱上方設(shè)盆式橡膠支座。

6.2 結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算

沙河立交第三、四、五聯(lián)的整體結(jié)構(gòu)滿足有傾覆風(fēng)險(xiǎn)橋梁的特點(diǎn)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算。按竣工圖紙建立沙河立交第三、四、五聯(lián)的整體結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，計(jì)算中考慮了結(jié)構(gòu)自重、二期鋪裝及附屬結(jié)構(gòu)重量、汽車荷載、溫度等作用。支座布置、計(jì)算模型及驗(yàn)算結(jié)果如圖1～6和表1所示。

圖1 第三聯(lián)支座布置圖(mm)

圖2 第三聯(lián)計(jì)算模型圖

圖3 第四聯(lián)支座布置圖(mm)

圖4 第四聯(lián)計(jì)算模型圖

圖5 第五聯(lián)支座布置圖(mm)

圖6 第五聯(lián)計(jì)算模型圖

表1 加固前抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果表

6.3 結(jié)構(gòu)加固方案

根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果以及抗傾覆加固設(shè)計(jì)方法，本設(shè)計(jì)抗傾覆加固擬采用在單柱墩墩頂與橋軸線垂直的方向增設(shè)輔助支撐支座，箱梁在該處由原來的單支座變?yōu)槿ё?，增設(shè)的輔助支座在恒載作用下不受力，原單柱墩墩頂支座為主要受力支座。當(dāng)車輛在最不利位置導(dǎo)致箱梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時(shí)，由新增兩側(cè)支座提供一定的反力，在保證橋墩安全的前提下提高箱梁抗傾覆安全性，同時(shí)可以減少每聯(lián)伸縮縫處支座受力和箱梁所受扭力的情況。同時(shí)因增設(shè)蓋梁改變了原墩柱受力，對(duì)增設(shè)蓋梁的墩柱采取外包鋼套筒灌注混凝土加固的措施，提高其承載能力。本次設(shè)計(jì)采用增設(shè)輔助支撐支座，可采用三個(gè)方案，見表2。

表2 加固比選方案表

結(jié)合沙河立交橋下道路交通及地質(zhì)條件實(shí)際情況，初步比選時(shí)，沙河立交橋抗傾覆推薦采用方案一及方案三結(jié)合：對(duì)第三聯(lián)8#、9#墩增設(shè)薄壁墩，第五聯(lián)19#、20#墩增設(shè)薄壁墩；第四聯(lián)12#、13#、15#、16#墩增設(shè)鋼蓋梁，蓋梁采用工廠定制，并采用熱鍍鋅處理，現(xiàn)場(chǎng)焊接件需進(jìn)行防腐涂裝。后經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，由于鋼結(jié)構(gòu)工程量小，鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制廠家制造成本過高，因此綜合下來，采用了方案二及方案三結(jié)合的方式，對(duì)第三聯(lián)8#、9#墩增設(shè)薄壁墩，第五聯(lián)19#、20#墩增設(shè)薄壁墩；第四聯(lián)12#、13#、15#、16#墩改為增設(shè)鋼筋混凝土蓋梁，見圖7、圖8。

圖7 增設(shè)薄壁墩、增加支座示意圖(mm)

圖8 增設(shè)鋼筋混凝土蓋梁、增加支座示意圖(mm)

6.4 加固結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果

按照以上加固方案對(duì)橋梁進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，由驗(yàn)算結(jié)果可知，橋梁采取本方案加固后，結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)得到明顯提高，抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。支座布置、計(jì)算模型及驗(yàn)算結(jié)果如表3和圖9～14所示。

表3 加固前后結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果對(duì)比表

圖9 第三聯(lián)支座布置圖(mm)

圖10 第三聯(lián)計(jì)算模型圖

圖11 第四聯(lián)支座布置圖(mm)

圖12 第四聯(lián)計(jì)算模型圖

圖13 第五聯(lián)支座布置圖(mm)

圖14 第五聯(lián)計(jì)算模型圖

7 結(jié)語

本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)橋梁抗傾覆驗(yàn)算和加固設(shè)計(jì)方法進(jìn)行介紹，為橋梁抗傾覆驗(yàn)算和加固設(shè)計(jì)工程提供參考。類似本文實(shí)例的橋梁還有很多，橋梁抗傾覆能力不能滿足規(guī)范要求，亟須開展橋梁抗傾覆驗(yàn)算和加固設(shè)計(jì)工作。