某匝道橋獨(dú)柱墩抗傾覆加固方案受力及設(shè)計(jì)分析

■張耀鎮(zhèn)

（中交遠(yuǎn)洲交通科技集團(tuán)有限公司，石家莊 050035）

獨(dú)柱墩形式是目前國內(nèi)外城市高架橋和高速公路橋梁建設(shè)中較為常見的下部結(jié)構(gòu)，其具有橋下空間開闊、占地少、視野廣、橋型美觀、經(jīng)濟(jì)適用等優(yōu)點(diǎn)。 但是，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通量日益增加，重載車輛不斷增多，超限超載情況日趨嚴(yán)重，獨(dú)柱墩橋梁側(cè)翻事故頻發(fā)的主要原因?yàn)槌爻d車輛單側(cè)行駛引發(fā)嚴(yán)重偏載支座脫空，給國家和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大的損失。 由于獨(dú)柱墩橋梁存在梁體橫向傾覆缺陷，為了繼續(xù)發(fā)揮獨(dú)柱墩橋梁的生產(chǎn)運(yùn)營和安全需要，既提高通行能力和服務(wù)水平，也滿足橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范要求，本研究對某匝道橋橋下結(jié)構(gòu)獨(dú)柱墩采取相應(yīng)技術(shù)進(jìn)行受力計(jì)算和實(shí)施加固。

1 工程概況

2005 年建成通車的某匝道橋，橋梁全長172 m，橋跨組合5×30 m，橋面總寬8.5 m（凈寬7.5 m），設(shè)計(jì)荷載為汽超-20 級， 掛-120。 上部結(jié)構(gòu)為單箱單室截面預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱型梁，梁高180 cm。 橫梁均采用普通鋼筋混凝土橫梁，由箱梁頂、底板旋轉(zhuǎn)形成橋面橫坡， 兩側(cè)腹板采用相同高度垂直設(shè)計(jì)，下部結(jié)構(gòu)為嵌巖樁基礎(chǔ)加獨(dú)柱墩形式，橋臺采用擴(kuò)大基礎(chǔ)U 型臺。

本橋平面處于R=300 m 的右偏圓曲線以及一段緩和曲線內(nèi)，本橋部分位于超高過渡段內(nèi)，本橋最大超高為6%。 其中1、2、3、4 號橋墩為獨(dú)柱距形墩，尺寸均為1.8 m×1.2 m（橫向×縱向），柱底接承臺，承臺尺寸為2.9 m×2.9 m×1.5 m（橫向×縱向×厚度），樁徑均為1.8 m，柱高為14.62～21.91 m。 橋面采用16 cm 厚防水混凝土鋪裝，0#、5 # 橋臺布置雙支點(diǎn)型號為GPZ3000DX、GPZ3000SX 型支座以及D80型伸縮縫，1、3、4 號墩為單支點(diǎn)型號為GPZ8000DX型支座，2 號墩為單支點(diǎn)型號為GPZ8000GD 型支座。 經(jīng)現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)該匝道橋2#、4#支座為脫空狀態(tài)，并對獨(dú)柱墩進(jìn)行抗傾覆計(jì)算，傾覆系數(shù)為1.14，無法滿足規(guī)范規(guī)定的抗傾覆要求。

圖1 橋梁正面照

圖2 橋梁側(cè)面照

2 加固方案受力計(jì)算

獨(dú)柱墩常見的加固方法很多[1-4]，如在原柱墩橫向兩側(cè)增設(shè)立柱和支座、 加寬墩柱為圓端形墻式墩、增設(shè)混凝土或鋼蓋梁、設(shè)抗拔約束裝置等，經(jīng)核查原橋圖紙及現(xiàn)場踏勘資料，綜合考慮原設(shè)計(jì)所采用的獨(dú)柱墩均無蓋梁、獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆計(jì)算結(jié)果以及橋梁實(shí)際運(yùn)營狀況，加固方案在滿足提高抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)的前提下，確保技術(shù)措施可行、施工方案安全可靠、盡量減少對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，且改造施工不能對通車運(yùn)營構(gòu)成安全影響，提出了既節(jié)省空間又施工方便，并且對周邊環(huán)境干擾小的“新增鋼蓋梁+單支座支撐改為三支座支撐+墩柱外包混凝土”處置方案。

2.1 抗傾覆計(jì)算

依據(jù)橋梁施工過程和施工方案劃分施工階段進(jìn)行建模， 采用MIDAS 有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)總體計(jì)算分析，計(jì)算模型見圖3。對2#、4#支座為脫空狀態(tài)獨(dú)柱敦加固后的橋梁進(jìn)行獨(dú)柱墩抗傾覆計(jì)算，傾覆系數(shù)為5.9， 滿足公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的抗傾覆要求。

圖3 某匝道橋整體模型

2.2 支座計(jì)算

某匝道橋加固后的支座布置見圖4。由表1 可知，設(shè)計(jì)選取的支座反力設(shè)計(jì)值Rck 大于標(biāo)準(zhǔn)組合下新增支座處的最大反力值，支座選取滿足規(guī)范要求。

圖4 2#、4# 獨(dú)柱墩頂加固后支座布置

表1 新增支座計(jì)算結(jié)果

2.3 鋼蓋梁局部計(jì)算

采用通用空間有限元軟件進(jìn)行鋼蓋梁的局部計(jì)算（圖5），計(jì)算內(nèi)容包括以下2 方面：（1）鋼蓋梁各構(gòu)件的局部應(yīng)力；（2）各型號錨栓的抗拔、抗剪承載力。 由圖6 可知，鋼蓋梁在設(shè)計(jì)荷載作用下，構(gòu)件最大主拉應(yīng)力為271.71 MPa，小于Q355NHC 鋼材屈服強(qiáng)度295 MPa，滿足規(guī)范要求。 由表2 可知，鋼蓋梁所用M24 特殊倒錐形化學(xué)錨栓、M20 螺栓的抗拔、抗剪承載力均滿足規(guī)范要求。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)蓋梁（矩形柱）有限元模型離散圖

圖6 鋼結(jié)構(gòu)蓋梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果云圖

表2 鋼蓋梁錨栓抗拔、抗剪計(jì)算結(jié)果

2.4 墩頂處橫梁計(jì)算

本橋獨(dú)柱墩位置的橫梁為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橫梁，當(dāng)支座處的活載反力最大時(shí)，橫梁處于最不利狀態(tài)。 加固后的橫梁由單點(diǎn)變成橫向3 點(diǎn)支撐，原支座承受恒載反力，3 個支座共同承擔(dān)活載反力，但當(dāng)橋梁存在傾覆趨勢時(shí)，獨(dú)柱墩位置將會出現(xiàn)“原支座、與傾覆車輛同側(cè)新增支座”共同抵抗傾覆的現(xiàn)象， 根據(jù)以上原理進(jìn)行獨(dú)柱墩墩頂橫梁計(jì)算。墩頂橫梁計(jì)算模型采用Midas Civil 建立梁結(jié)構(gòu)離散示意見圖7， 橫梁約束位置根據(jù)實(shí)際支座位置進(jìn)行模擬， 恒載以集中力形式加載到腹板位置，活載以縱向計(jì)算得到活載反力算出每車輛荷載的軸重，再根據(jù)橫向車輛實(shí)際位置進(jìn)行加載，由表3、4可知，加固后墩頂橫梁抗彎、抗剪承載能力計(jì)算均滿足原設(shè)計(jì)要求。

圖7 某匝道橋墩頂橫梁離散模型

表3 某匝道橋抗彎承載能力極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果

表4 某匝道橋抗剪承載能力極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果

2.5 墩柱偏心受壓計(jì)算

某匝道橋加固后由于新增設(shè)鋼蓋梁上的新增支座處存在支點(diǎn)反力，使原獨(dú)柱墩截面的橫向彎矩增大，橋墩處于偏心受壓狀態(tài)[3]。對加固后2 號獨(dú)柱墩（墩高16.21 m）、4 號獨(dú)柱墩（墩高21.91 m）進(jìn)行計(jì)算。 由表5 可知，需對不滿足要求的2#、4# 墩柱設(shè)置外包混凝土加固，不改變原有樁基，加固后計(jì)算結(jié)果見表6，滿足要求。

表5 某匝道橋墩柱強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

表6 某匝道橋墩柱加固后強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

3 加固方案設(shè)計(jì)

3.1 新增鋼結(jié)構(gòu)蓋梁

某匝道橋2 #、4 # 獨(dú)柱墩墩柱上設(shè)置了采用Q355NHC 型鋼板在工廠完成標(biāo)準(zhǔn)化加工且整體質(zhì)量可靠的鋼結(jié)構(gòu)蓋梁，其現(xiàn)場安裝時(shí)以特殊倒錐形錨栓與橋墩墩柱相連接。 為了克服單支座支撐引起的橫向傾覆問題，在墩柱的原支座兩側(cè)新設(shè)2 個豎向支撐支座，恒載由原橋支座承擔(dān)，活載由原支座及兩側(cè)新設(shè)可調(diào)平和調(diào)高的四氟滑板式橡膠支座（GBZJH300×600×71 型）共同承擔(dān)，獨(dú)柱墩的單支座支撐變成了三支座支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)對支座反力較小的聯(lián)端支座增設(shè)拉桿，使其到達(dá)橫向抗傾覆穩(wěn)定要求（圖8、圖9）。

圖8 新增鋼結(jié)構(gòu)蓋梁立面圖

圖9 新增鋼結(jié)構(gòu)蓋梁平面圖

3.2 中橫梁、墩柱外包混凝土加固

維修處治后獨(dú)柱墩處的單點(diǎn)支撐變成了三支點(diǎn)支撐，為改善新增支座引起的中橫梁底板局部應(yīng)力集中，在中橫梁范圍內(nèi)，沿橫向在底板對稱粘貼2 條8 mm 厚Q355NHC 鋼板，中橫梁底板粘貼鋼板見圖10。 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，柱底承載能力及裂縫寬度超限，采取以增大截面法對墩柱進(jìn)行加固，在2#、4 # 墩柱種植鋼筋外包20 cm 厚C35 混凝土，新增部分結(jié)構(gòu)與原墩柱構(gòu)成一體共同受力，提高結(jié)構(gòu)安全性能，墩柱外包混凝土見圖11。

圖10 中橫梁底板粘貼鋼板圖

圖11 墩柱外包混凝土立面圖

3.3 加固要點(diǎn)

為了確保在加固施工期間的運(yùn)營安全以及新舊構(gòu)件能夠共同受力，需從以下幾個要點(diǎn)著重處理：（1）新舊構(gòu)件面處理：對要實(shí)施范圍內(nèi)的混凝土表面采用人工進(jìn)行鑿毛，在混凝土表面形成粗骨料部分外露2～4 mm 的粗燥凹凸面， 表面粉塵用無油壓縮空氣機(jī)吹除，干燥表面用脫脂棉沾丙酮擦拭，依據(jù)加固圖紙對實(shí)施部位精準(zhǔn)定位、鉆孔，成孔后利用壓縮空氣和專用電動毛刷相結(jié)合清除孔內(nèi)、孔壁上粉塵，并根據(jù)孔壁實(shí)際情況采用電熱干燥或化學(xué)干燥進(jìn)行孔壁干燥。 （2）錨栓加固構(gòu)件：鋼蓋梁安裝之前，將錨栓初步放在既定位置，鋼蓋梁抱箍鋼板周圍用封邊膠將其封閉，以大于0.1 MPa 的壓力通過鋼板低端黏貼注漿嘴壓入膠粘劑，當(dāng)預(yù)留出氣孔出現(xiàn)漿液后停止加壓用封邊膠封堵，再以較低壓力維持10 min 以上， 然后植入錨栓螺母及鋼抱箍對拉螺栓進(jìn)行緊固。 在確保施工安全的前提下，將工廠完成所有標(biāo)準(zhǔn)化加工和焊接的鋼結(jié)構(gòu)蓋梁吊裝至獨(dú)柱墩安裝位置，并焊接為一個整體。 （3）安裝新增支座和墊石工藝流程：混凝土基面處理→定制并焊接鋼構(gòu)件→支座墊石施工→梁底楔形塊調(diào)平鋼板及支座的安裝→填充環(huán)氧砂漿→配制結(jié)構(gòu)膠→封邊及安裝注漿嘴→下鋼板灌注水泥基灌漿料→鋼板表面防腐處理。其中用M12 螺栓將底梁支座調(diào)平楔形塊水平固定于中橫梁底板粘貼鋼板下表面，在支座墊石與楔形塊水平鋼板間塞入新增支座，利用M12 錨栓螺母進(jìn)行調(diào)節(jié)緊固，使支座墊石、支座與楔形塊水平鋼板三者緊密貼合。 （4）注意事項(xiàng)：鉆孔前必須測定梁底鋼筋具體位置，保證原結(jié)構(gòu)鋼筋不受損傷；施工時(shí)應(yīng)精確測量新增支座處總支承高度，安裝支座下鋼底座及支座后，通過上鋼板及楔形塊（環(huán)氧砂漿填充）適應(yīng)梁底橫坡及剩余間隙高度，支座頂面必須水平設(shè)置，上鋼板施工前需對原主梁橫坡、縱坡精確測量，保證鋼板水平，上鋼板錨栓錨固長度應(yīng)大于10 d，支座上鋼板的M12螺母，用于調(diào)整楔形塊高度，消除支座系統(tǒng)間隙；灌注粘貼鋼板應(yīng)在交通量較小時(shí)段進(jìn)行施工，以利于結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度快速形成。

4 結(jié)語

通過對工程實(shí)例某匝道橋獨(dú)柱墩存在橫向抗傾覆系數(shù)不足、 支座脫空等問題實(shí)施加固處置，利用MIDAS 軟件建立有限元相關(guān)模型， 對橋梁抗傾覆、支座、鋼蓋梁、墩頂處橫梁、墩柱偏心受壓等部位進(jìn)行受力分析，各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)和性能均符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，且該橋獨(dú)柱墩加固完工驗(yàn)收合格后持續(xù)2 年運(yùn)營監(jiān)測，表明該匝道橋獨(dú)柱墩加固效果顯著，加固技術(shù)安全可行，可為類似橋梁加固提供一定參考。