基于拉壓桿的獨柱墩抗傾覆加固結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法研究

周健民，吳文明，王辰杰

(1.唐山高速公路集團有限公司，河北 唐山 063099；2.北京公科固橋技術(shù)有限公司，北京 100088)

0 引言

中小跨徑獨柱墩曲線橋既能使橋型布置很好地適應(yīng)環(huán)境要求，也能改善橋梁外觀，減少土地占用，以及節(jié)約材料[1]，此外，其獨柱布置形式也比常規(guī)的雙柱墩橋梁較多地減少對周圍環(huán)境的破壞。因此，獨柱墩橋梁廣泛應(yīng)用于高速公路匝道橋、城市高架橋及城市立交橋中[2-4]。但在車輛偏載作用下，獨柱墩橋梁聯(lián)端支座容易出現(xiàn)脫空的現(xiàn)象，致使主梁支承體系發(fā)生改變，而其特殊的結(jié)構(gòu)體系對橋梁結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性明顯不利。近年來，國內(nèi)相繼發(fā)生的獨柱墩梁橋整體傾覆事故造成了嚴重人員傷亡和經(jīng)濟損失，引起社會的廣泛關(guān)注[5-7]。雖然2012年之后我國新建橋梁中，基本采用雙柱墩或三柱墩的結(jié)構(gòu)形式代替此類型橋梁，但是仍然存在為數(shù)眾多的在役獨柱墩梁橋[8-10]，所以必須對采取有效的加固措施，以提高既有獨柱墩橋梁結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性。目前對于獨柱墩橋梁抗傾覆加固措施主要有3類：第1類增設(shè)蓋梁，將單支座改為雙支座[11-12]；第2類取消支座，將墩梁固結(jié)，改變結(jié)構(gòu)支承體系[13-14]；第3類增大雙支座間距，提高雙支座抗扭能力[15-16]。但這些加固措施在構(gòu)造設(shè)計與施工上均存在一定的困難，由于結(jié)構(gòu)構(gòu)造所限，支座間距增加不明顯，且本質(zhì)上并未改變橋梁整體傾覆翻轉(zhuǎn)線，因此加固后的效果不明顯，難以確保橋梁在運營過程中具有足夠的抗傾覆安全儲備。本研究在杠桿原理基礎(chǔ)上，提出了一種基于拉壓桿的獨柱墩抗傾覆加固結(jié)構(gòu)及其設(shè)計方法，該加固結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單、受力明確、加固效果好、設(shè)計與施工方便，可為類似橋梁結(jié)構(gòu)加固提供借鑒和參考。

1 傾覆過程及受力機理

獨柱墩橋梁傾覆是由于橋面汽車荷載達到抗傾覆臨界值時，橋梁兩端位于汽車荷載另一側(cè)的支座產(chǎn)生負反力，引發(fā)支座脫空，導(dǎo)致主梁發(fā)生翻轉(zhuǎn)傾覆[17-18]，見圖1。

圖1 獨柱墩橋梁主梁整體傾覆

獨柱墩橋梁典型的傾覆過程可以表現(xiàn)為：單向受壓支座產(chǎn)生負反力，正常受壓的受力狀態(tài)消失，導(dǎo)致支座不再為上部主梁結(jié)構(gòu)提供有效的支承，上部主梁結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形達到臨界值、橫向失穩(wěn)，引發(fā)支座及下部橋墩結(jié)構(gòu)損壞[19]，如圖2所示。

圖2 獨柱墩橋梁典型傾覆過程

因此，獨柱墩橋梁傾覆存在2個明確的受力特點：(1)橋梁單向受壓支座脫空，并不再受壓；(2)橋墩上一對雙支座構(gòu)成的抗扭支承體系，由于其中一個支座的脫空，導(dǎo)致未脫空的支座僅提供扭矩約束，而雙支座提供的扭轉(zhuǎn)變形約束失效，不再為主梁提供有效的抗扭支承，此時主梁處于受力臨界平衡或者是扭轉(zhuǎn)變形失效的極限狀態(tài)，進而引發(fā)了橋梁傾覆破壞。

2 抗傾覆加固力學(xué)原理與構(gòu)造

根據(jù)獨柱墩橋梁傾覆過程及受力機理可以知道，獨柱墩橋梁傾覆過程的最主要表現(xiàn)形式是主梁繞荷載作用側(cè)最外側(cè)支座連線方向轉(zhuǎn)動，即主梁的剛體轉(zhuǎn)動。根據(jù)杠桿原理，汽車荷載偏載產(chǎn)生的傾覆力矩和主梁自重產(chǎn)生的抗傾覆力矩分別是杠桿的動力和阻力。為避免主梁的橫橋向傾覆，使梁體達到靜止的平衡狀態(tài)，抗傾覆力矩應(yīng)具有足夠的抵抗效應(yīng)。同理，對于橋梁結(jié)構(gòu)如果將主梁腹板兩側(cè)與橋墩通過某種方式連接，當(dāng)主梁有傾覆的趨勢時，主梁腹板兩側(cè)的連接開始發(fā)揮作用，產(chǎn)生拉壓桿效應(yīng)，該拉力和壓力為有傾覆趨勢的主梁提供了一個反向力矩M，以抵抗主梁的傾覆力矩T，這樣就可以提高主梁的抗傾覆能力，如圖3所示。

圖3 獨柱墩橋梁抗傾覆加固力學(xué)原理

此類在主梁兩側(cè)增設(shè)拉壓桿的方式進行抗傾覆加固的結(jié)構(gòu)構(gòu)造為：在主梁腹板兩側(cè)以及相應(yīng)的墩頂位置埋入鋼板，并在鋼板上焊接耳板固定裝置，然后將主梁及墩頂上的耳板通過鋼拉桿連接，形成主梁兩側(cè)的拉壓桿加固結(jié)構(gòu)。當(dāng)橋面汽車荷載達到抗傾覆臨界值造成主梁有傾覆趨勢時，主梁兩側(cè)的鋼拉桿連接即產(chǎn)生拉壓桿效應(yīng)，以抵抗主梁的傾覆力，如圖4所示。

圖4 拉壓桿抗傾覆加固結(jié)構(gòu)

3 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計算方法

現(xiàn)行《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)[19]第4.1.8條規(guī)定按作用標準值進行組合時，整體式截面簡支梁和連續(xù)梁的作用效應(yīng)應(yīng)符合下式要求：

(1)

式中，kqf為橫橋向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，取kqf=2.5；∑Sbk,i為使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應(yīng)設(shè)計值；∑Ssk,i為使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應(yīng)設(shè)計值。

基于拉壓桿效應(yīng)的抗傾覆加固結(jié)構(gòu)力學(xué)示意如圖5所示，根據(jù)力學(xué)示意圖，可以得到該加固結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。

圖5 拉壓桿抗傾覆加固結(jié)構(gòu)力學(xué)示意圖

加固后上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定效應(yīng)(考慮拉桿+壓桿)：

∑Sbk,i=∑RGkili+∑Flilli+∑Frilri，

(2)

式中，F(xiàn)li為在可變作用下，第i個橋墩拉桿提供的抗傾覆拉力；lli為第i個橋墩拉桿與有效支座的距離；lri為第i個橋墩壓桿與有效支座的距離；加固后傾覆穩(wěn)定性驗算系數(shù)：

(3)

4 工程應(yīng)用實例

4.1 工程概況

某互通立交橋由1條主線及10條匝道組成，與地面道路形成4層立體交叉，如圖6所示。各匝道橋基本為曲線橋梁，主梁結(jié)構(gòu)形式鋼筋混凝土箱梁或預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橋墩結(jié)構(gòu)形式為花瓶式獨柱墩，設(shè)置小間距雙支座，如圖7所示。

圖6 互通橋梁鳥瞰圖

圖7 橫斷面布置(單位：cm)

由于該橋交通量較大，日常運營中經(jīng)常發(fā)生堵車現(xiàn)象，且橋上行駛的6軸重車或拖掛車等重載大貨車較多。而橋梁橫向兩個支座間距為1.9 m，相對于寬度為9 m的橋梁凈寬來說偏小，這些因素對橋梁結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，成為主梁傾覆的安全隱患。

依據(jù)結(jié)構(gòu)類型、橋梁寬度、跨徑布置及曲線半徑等進行分類，選取了具有代表性的聯(lián)進行了計算分析。并參考獨柱墩橋梁抗傾覆控制荷載重載車隊的模型進行車隊布載。單車為6軸車，每輛車總重165 t，車輛間距5 m，其布置圖如圖8所示。

圖8 車隊荷載布置

根據(jù)計算結(jié)果，在抗傾覆控制荷載重載車隊作用下，部分橋梁的抗傾覆安全系數(shù)均小于規(guī)范值，不能滿足要求。

表1 抗傾覆安全系數(shù)計算結(jié)果

4.2 抗傾覆加固設(shè)計

如前文所述，為避免主梁的橫橋向傾覆，將主梁腹板兩側(cè)與橋墩通過某種方式連接，當(dāng)主梁有傾覆的趨勢時，產(chǎn)生拉壓桿效應(yīng)，為有傾覆趨勢的主梁提供了一個反向力矩M，以抵抗主梁的傾覆力矩T，以提高主梁的抗傾覆能力。因此，本橋采用在箱梁兩側(cè)增設(shè)拉桿的方式進行防傾覆處理，如圖9所示。在主梁腹板兩側(cè)以及墩頂附近植入高強螺栓，布置鋼板并在鋼板上焊接耳板，然后將主梁及墩頂上的耳板通過鋼拉桿連接，形成主梁兩側(cè)的拉壓桿加固結(jié)構(gòu)。

圖9 橋梁加固方案(單位:cm)

計算結(jié)果表明，加固后橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)大幅增加，且滿足規(guī)范要求。同時，下部結(jié)構(gòu)橋墩本身斷面構(gòu)造尺寸較大，承載能力滿足要求，加固后關(guān)鍵受力截面為拉桿及其連接構(gòu)件截面，經(jīng)計算拉桿與連接件強度也滿足承載力要求。

表2 抗傾覆安全系數(shù)計算結(jié)果

表3 防傾覆拉桿強度計算結(jié)果

4.3 傾覆穩(wěn)定性監(jiān)測

選定K匝道橋開展傾覆穩(wěn)定性的監(jiān)測，監(jiān)測斷面為一聯(lián)兩段的伸縮縫墩頂處，測點布置在近支座處豎向位移測點(圖10)。圖11、12表明，K匝道橋梁結(jié)構(gòu)在運營荷載作用下，一聯(lián)伸縮端墩定處梁底監(jiān)測點豎向位移值均為負值(支座受壓)，監(jiān)測期間未見明顯位移突變導(dǎo)致支座脫空，左右側(cè)梁體位移并未出現(xiàn)較大的反差，并且呈現(xiàn)一致的變化規(guī)律，表明K匝道橋被監(jiān)測聯(lián)在運營荷載作用下未出現(xiàn)明顯的傾覆趨向，表明基于拉壓桿的抗傾覆加固結(jié)構(gòu)的有效性。

圖10 豎向位移測點布置

圖11 橋3#墩處測點最大位移

圖12 橋6#墩處測點最大位移

5 結(jié)論

針對獨柱墩橋梁傾覆過程的最主要表現(xiàn)形式是主梁繞荷載作用側(cè)最外側(cè)支座連線方向轉(zhuǎn)動，為限制主梁剛體轉(zhuǎn)動，在杠桿原理基礎(chǔ)上，將主梁腹板兩側(cè)與橋墩通過鋼拉桿連接，形成抗傾覆力矩，提出了基于拉壓桿的獨柱墩抗傾覆加固結(jié)構(gòu)，并在力學(xué)原理基礎(chǔ)上建立了抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計算方法。該加固結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單，受力明確，加固效果好，設(shè)計與施工方便。工程應(yīng)用實例表明，該加固結(jié)構(gòu)能橋梁大幅增加抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，實橋監(jiān)測結(jié)果也驗證了加固結(jié)構(gòu)的有效性和可行性，可為類似橋梁結(jié)構(gòu)加固提供借鑒和參考。