獨柱墩連續(xù)彎橋抗傾覆性能研究

陳耀金， 林潔輝

(1.廣州市番禺區(qū)地方公路管理總站， 廣州 511400； 2.廣東承信公路工程檢驗有限公司， 廣州 511400)

獨柱墩橋梁具有結(jié)構(gòu)簡單、外形美觀、占用橋下空間小等優(yōu)點，在城市立交橋和高速公路匝道橋中有廣泛應(yīng)用。但獨柱墩墩頂較窄，橫橋向往往設(shè)置單支點支撐，在汽車偏心荷載作用下，獨柱墩連續(xù)梁橋的橫向抗傾覆穩(wěn)定性問題就很突出。近幾年，這種結(jié)構(gòu)型式的橋梁在超載和偏載情況下已發(fā)生多起傾覆事故。為此，本文結(jié)合工程實例，在原規(guī)范設(shè)計荷載基礎(chǔ)上適當(dāng)提高驗算荷載，以驗算在役獨柱墩連續(xù)梁橋的抗傾覆穩(wěn)定性，并提出加固措施[1-2]。

1 工程概況

冼莊互通立交東轉(zhuǎn)南匝道橋位于廣州市番禺區(qū)金山大道，屬金山大道橋梁工程的一部分。橋梁跨徑總長105.5 m，為5跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎箱梁，跨徑組合為2×20 m+25.5 m+2×20 m。橋面總寬9.2 m，橫向布置為0.6 m(防護欄)+8.0 m(行車道)+0.6 m(防護欄)，單向2車道；上部結(jié)構(gòu)為5跨獨柱墩連續(xù)彎箱梁結(jié)構(gòu)，位于半徑R=64.5 m的曲線段；下部結(jié)構(gòu)0#、5#橋臺為重力式橋臺、雙支座，其余橋墩采用獨柱式橋墩、單支座。設(shè)計荷載為汽車-超20級，掛車-120荷載。該匝道橋處于主干道連接線位置，日常重載交通量大，且在行車高峰時段車輛擁堵嚴重，交通疏散歷時較長，這對橋梁結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的安全隱患。

2 原結(jié)構(gòu)驗算

箱梁橋的傾覆過程為：1) 單向受壓支座依次脫離受壓狀態(tài)，箱梁的支承體系不再提供有效約束；2) 箱梁扭轉(zhuǎn)變形趨于發(fā)散，箱梁橫向失穩(wěn)垮塌，支座、下部結(jié)構(gòu)連帶損壞。傾覆過程存在2個特征狀態(tài)：特征狀態(tài)1是箱梁的單向受壓支座開始脫離受壓，特征狀態(tài)2是箱梁的抗扭支承全部失效。

根據(jù)《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)[3]中的規(guī)定，運營中的箱梁橋的結(jié)構(gòu)體系不應(yīng)發(fā)生改變。以上述2個特征狀態(tài)為抗傾覆驗算工況，提出如下抗傾覆性能驗算方法。

1) 在作用基本組合下，箱梁橋的單向受壓支座處于受壓狀態(tài)。

2) 在作用標準值組合下，簡支梁和連續(xù)梁的作用效應(yīng)符合下列要求：

∑Sbk,i/∑Ssk,i≥kqf

∑Sbk,i= ∑RGkili

∑Ssk,i= ∑RQkili

式中：kqf為抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)，取2.5，綜合考慮該簡化方法的偏差系數(shù)和實際車輛密集排布情況下汽車荷載的放大系數(shù)后確定；∑Sbk,i、∑Ssk,i分別為上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定效應(yīng)設(shè)計值和失穩(wěn)效應(yīng)設(shè)計值；li為第i個橋墩處失效支座與有效支座的支座中心間距；RGki為在永久作用下，第i個橋墩處失效支座的支反力，按全部支座有效的支承體系計算確定，按標準值組合取值；RQki為在可變作用下，第i個橋墩處失效支座的支反力，按全部支座有效的支承體系計算確定，按標準值組合取值，汽車荷載效應(yīng)(考慮沖擊)按各失效支座對應(yīng)的最不利布置形式取值。

為了對獨柱墩連續(xù)彎箱梁結(jié)構(gòu)進行抗傾覆安全性評估驗算，采用Midas/Civil有限元分析軟件建立梁格模型[4]，并以2個特征狀態(tài)為抗傾覆驗算工況進行數(shù)值分析。根據(jù)相關(guān)資料及規(guī)范設(shè)計荷載偏載加載，有傾覆風(fēng)險的支座為編號0-1#、5-1#的支座，如圖1所示。

(a) 支座編號

(b) 計算模型

支座編號規(guī)則為按路線前進方向及跨數(shù)從左往右進行編號，如單個支座為“n#支座”，雙支座為“n-p#支座”，其中n表示n#臺(墩)，p表示從左往右第p個支座。

2.1 特征狀態(tài)1的驗算

從Midas/Civil模型中提取的數(shù)據(jù)如表1所示。其中G為永久作用下支座反力，Q為失效支座對應(yīng)最不利汽車荷載標準值，最不利汽車荷載計入沖擊系數(shù)取1.4。

由表1可知，在重車荷載偏心作用下，0-1#支座在特征狀態(tài)1驗算中1.0RGki+1.4RQki，0-1的值為-9.3 kN，即出現(xiàn)9.3 kN的拉力，未滿足驗算要求；5-1#支座在特征狀態(tài)1驗算中1.0RGki+1.4RQki,5-1的值為-10.2 kN，即出現(xiàn)10.2 kN的拉力，未滿足驗算要求。綜上所述，全橋支座中有2個支座不滿足驗算要求，橋梁有傾覆風(fēng)險。

2.2 特征狀態(tài)2的驗算

從表1得知，0-1#、5-1#支座抗傾覆驗算不滿足要求，存在傾覆風(fēng)險，且支座存在最不利狀態(tài)下的失穩(wěn)效應(yīng)。采用Midas/Civil有限元分析軟件進行特征狀態(tài)2的驗算，從模型中提取的數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 特征狀態(tài)1抗傾覆驗算

表2 特征狀態(tài)2抗傾覆驗算

根據(jù)《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)[3]附件條文說明4.1.8章節(jié)要求，橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)kqf為2.5。

由表2可知，0-1#支座最不利情況下，汽車-超20級、掛車-120荷載偏載作用下的穩(wěn)定性系數(shù)為0.85；5-1#支座最不利情況下，汽車-超20級、掛車-120荷載偏載作用下的穩(wěn)定性系數(shù)為0.86，均小于規(guī)范抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)2.5的要求，支座有傾覆風(fēng)險。因此，本聯(lián)橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求[5-8]。

3 加固設(shè)計研究

3.1 加固設(shè)計方案

上述橫向抗傾覆驗算表明，不滿足規(guī)范抗傾覆性橋墩(臺)需進行相應(yīng)的加固。通過調(diào)研，針對這類加固設(shè)計提出以下3種方案，從加固方案合理性、施工難度、對交通影響及加固效果進行綜合對比分析，結(jié)果如表3所示。

表3 加固方案比選

由表3可見，綜合考慮3種方案，推薦采用方案3。該方案加固效果較好，原有墩柱也無需加固，而采用增設(shè)鋼蓋梁的方式，就可為提高橋梁抗傾覆穩(wěn)定性[9-15]。

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點，可對冼莊互通立交東轉(zhuǎn)南匝道橋采用增設(shè)鋼蓋梁及兩側(cè)增設(shè)輔助支座的加固方案，如圖2所示。

由于增設(shè)輔助支座后偏載引起的彎矩較大，若采用混凝土蓋梁需配置預(yù)應(yīng)力鋼筋，或采用較多普通鋼筋并將蓋梁截面增大，會額外增大樁柱恒載，且施工較復(fù)雜，工期長。冼莊互通立交東轉(zhuǎn)南匝道橋為跨線橋，跨越番禺大道主線，該處交通繁忙，施工場地有限，混凝土蓋梁方案對施工及橋梁正常運營有較大影響。經(jīng)比較，在墩頂采用鋼蓋梁比較合適，鋼蓋梁受力能滿足要求，且施工工藝成熟，可在工廠預(yù)制，現(xiàn)場安裝，工期較短。

施工采用了強度高、防腐能力強的Q355型耐候鋼，在獨柱墩上增設(shè)套箍，將鋼蓋梁套設(shè)在套箍頂端，使鋼蓋梁兩端向梁體的橫向方向延伸，將墩梁連接由一點受力變?yōu)槿c受力，以此來增強橋梁梁體的穩(wěn)定性和安全性，如圖2(b)所示。

3.2 加固效果分析

為全面了解加固設(shè)計完成后其整體的抗傾覆穩(wěn)定性狀況，進行數(shù)值建模驗算，如圖3所示。

其中，支座(頂面與底面節(jié)點)采用彈性連接，驗算結(jié)果如表4、表5所示。

由表4可見，經(jīng)加固設(shè)計內(nèi)偏抗傾覆驗算，各墩臺支座在內(nèi)偏荷載的作用下，可確保在基本組合下原支座不發(fā)生脫空，特征狀態(tài)1滿足要求；在最不利荷載作用下，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)最小為3.16，大于規(guī)范要求2.5，特征狀態(tài)2滿足要求。

(a) 加固設(shè)計

(b) 加固完成后實景

圖3 加固設(shè)計計算模型

表4 加固設(shè)計內(nèi)偏抗傾覆驗算

由表5可見，經(jīng)加固設(shè)計外偏抗傾覆驗算，各墩臺支座在外偏荷載的作用下，可確保在基本組合下原支座不發(fā)生脫空，特征狀態(tài)1滿足要求；在最不利荷載作用下，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)最小為7.54，大于規(guī)范要求2.5，特征狀態(tài)2滿足要求。

因此，采用鋼蓋梁并增設(shè)輔助支座的方法，經(jīng)抗傾覆驗算，各項穩(wěn)定性系數(shù)均大于2.5，滿足規(guī)范要求，故本獨柱墩加固方案能滿足規(guī)范要求。

表5 加固設(shè)計外偏抗傾覆驗算

4 結(jié)論

獨柱墩連續(xù)彎橋發(fā)生傾覆多是在極端偏載作用下，梁體轉(zhuǎn)動引起支承體系強度破壞，進而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。冼莊互通立交東轉(zhuǎn)南匝道橋的獨柱墩加固工程實踐表明，利用有限元分析法，對獨柱墩曲線梁橋在極端偏載作用下的支座反力、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)進行驗算分析，通過多指標評估獨柱墩曲線梁橋抗傾覆性能。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場實際工況，采用增設(shè)鋼蓋梁的加固方法來進一步提高獨柱墩橋梁結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性。結(jié)合本文分析結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1) 結(jié)合工程實例，依據(jù)規(guī)范要求對獨柱墩橋梁進行抗傾覆驗算分析，結(jié)果表明該橋抗傾覆穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求，存在傾覆風(fēng)險。

2) 加固設(shè)計時，提出增設(shè)鋼蓋梁加固法，通過穩(wěn)定性和抗傾覆能力的驗算分析，結(jié)果表明該加固方案滿足規(guī)范要求。